Наночастица
-
Определение наночастиц
- Наночастицы — это частицы диаметром от 1 до 100 нанометров.
- Термин иногда используется для частиц до 500 нм или волокон менее 100 нм в двух направлениях.
- Металлические частицы менее 1 нм называются кластерами атомов.
-
Физические и химические свойства
- Наночастицы отличаются от микрочастиц и крупных частиц своими физическими и химическими свойствами.
- Они подвержены броуновскому движению и не осаждаются, как коллоидные частицы.
- Наночастицы не видны в обычных оптических микроскопах, но видны в электронных микроскопах.
- Дисперсии наночастиц могут быть прозрачными, в отличие от суспензий крупных частиц.
- Наночастицы легко проходят через обычные фильтры, что требует специальных методов нанофильтрации.
-
Свойства наночастиц
- Свойства наночастиц зависят от их размера и формы.
- Наночастицы содержат множество дислокаций, что влияет на их механические свойства.
- Несферические наночастицы проявляют анизотропные свойства, что находит применение в оптике и биомолекулярных анализах.
-
История и применение
- Наночастицы естественным образом образуются в природе и используются в различных технологиях.
- В 19-м веке Майкл Фарадей описал оптические свойства наночастиц.
- В 20-м веке наночастицы стали объектом интенсивных исследований и применений.
-
Морфология и строение
- Наночастицы встречаются в различных формах, таких как наносферы, наностержни и наноцепи.
- Форма наночастиц определяется свойствами материала и окружающей среды.
- Полутвердые и мягкие наночастицы, такие как липосомы, используются в клинической практике.
-
Вариации и биосовместимость
- Получены полутвердые и мягкие наночастицы, такие как липосомы.
- Расщепление биополимеров на наноразмерные блоки может привести к биосовместимым и биоразлагаемым наночастицам.
-
Наночастицы Януса
- Гидрофильные и гидрофобные наночастицы стабилизируют эмульсии
- Могут самостоятельно собираться на границе раздела вода/масло
-
Гидрогелевые наночастицы
- Изготовлены из N-изопропилакриламидной гидрогелевой оболочки
- Окрашены аффинными добавками для выделения и удаления белков
-
Зарождение и рост наночастиц
- Образование зародышей определяет размер и форму наночастиц
- Гомогенная нуклеация встречается реже, чем неоднородная
- Кристаллы могут образовываться одновременно при быстром зарождении
-
Модели зарождения и роста
- Классическая теория зародышеобразования (CNT)
- Модель Ламера: быстрое увеличение концентрации мономеров, взрывной рост, диффузия мономера
- Созревание по Оствальду: крупные частицы растут за счет мелких
- Двухступенчатая модель F-W: медленное зарождение, автокаталитический рост
-
Измерение скорости зарождения
- Метод определения времени индукции
- Модель распределения вероятностей
- Многомасштабное компьютерное моделирование
-
Свойства наночастиц
- Отличаются от свойств объемных материалов
- Большое отношение поверхности к объему
- Межфазный слой влияет на химические и физические свойства
-
Сродство к растворителю и покрытия
- Суспензии наночастиц возможны благодаря взаимодействию с растворителем
- Покрытия изменяют свойства частиц
-
Диффузия и ферромагнитные эффекты
- Большая площадь поверхности ускоряет диффузию
- Ферромагнитные материалы менее 10 нм нестабильны
-
Механические свойства
- Пониженная концентрация вакансий и высокое внутреннее давление
- Наночастицы золота тверже основного материала
- Высокое отношение поверхности к объему снижает плотность дислокаций
-
Методы измерения наночастиц
- Наноиндентирование с помощью АСМ для измерения твердости, модуля упругости и адгезии.
- Метод коллоидного зонда для контроля размера и формы наночастиц.
- ПЭМ in situ для визуализации реакции наноструктуры на раздражитель.
-
Влияние материалов на свойства наночастиц
- Температура стеклования и кристалличность влияют на деформацию полимерных наночастиц.
- Дислокации влияют на механические свойства кристаллических наночастиц металлов.
-
Квантовые эффекты и наночастицы
- Квантовые точки и локализованные поверхностные плазмоны.
- Поглощение солнечной радиации в наночастицах выше, чем в тонких пленках.
- Наночастицы типа «ядро-оболочка» поддерживают электрический и магнитный резонансы.
-
Производство наночастиц
- Механическое измельчение, разрушение биополимеров, пиролиз, конденсация из плазмы, конденсация инертного газа, способ радиолиза, влажная химия.
-
Применение наночастиц
- Фотоэлектрические и тепловые установки, коллоидные кристаллы, фотонные кристаллы.
- Регулирование размера, формы и материала частиц для контроля поглощения солнечной энергии.
-
Методы получения наночастиц
- Размер частиц регулируется концентрацией реагентов и температурой растворов.
- Добавление инертных агентов влияет на вязкость и скорость диффузии.
- Процесс может приводить к различным наноразмерным структурам.
-
Отделение и нанесение наночастиц
- Наночастицы отделяются от растворителя и побочных продуктов реакции.
- Частицы могут быть нанесены на поверхность твердой подложки.
-
Безэлектродное осаждение
- Позволяет выращивать наночастицы на поверхности без дорогостоящего нанесения покрытия.
- Образует коллоидные суспензии, катализирующие осаждение металлов.
-
Функционализация наночастиц
- Изменение свойств наночастиц путем нанесения различных веществ.
- Функционализация улучшает стабильность, растворимость и биологическую активность.
-
Требования к единообразию
- Химическая обработка требует использования высокочистых материалов.
- Неоднородная морфология и агломерация порошков приводят к дефектам.
- Испарение инертного газа и осаждение устраняют дефекты, но не обеспечивают однородность.
-
Характеристика наночастиц
- Аналитические требования включают измерение размера, формы, свойств поверхности и дисперсионного состояния.
- Методы микроскопии и спектроскопии используются для характеристики наночастиц.
- Спектроскопия измеряет взаимодействие частиц с электромагнитным излучением.
-
Здоровье и безопасность
- Наночастицы могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье.
- Методы анализа включают микроскопию, спектроскопию и другие методы.
-
Опасности наночастиц
- Наночастицы могут быть опасны для здоровья и окружающей среды.
- Они накапливаются на фосфолипидных бислоях и проходят через клеточные мембраны.
- Взаимодействие с биологическими системами неизвестно.
-
Воздействие на здоровье
- Наночастицы цинка не всасываются в кровоток.
- Вдыхаемые наночастицы могут быть токсичными.
- Некоторые наноструктуры благородных металлов не сохраняются в организме.
-
Исследования и регулирование
- Агентство по охране окружающей среды исследует безопасность наночастиц.
- В США условно зарегистрированы только два пестицида из наноматериалов.
- Протоколы тестирования наночастиц нуждаются в разработке.
-
Приложения наночастиц
- Наночастицы используются в медицине, физике, оптике и электронике.
- Наночастицы исследуются как система доставки лекарств и пищевые добавки.
- Наночастицы улучшают прочность полимеров и текстильных волокон.
- Наночастицы изменяют механические свойства жидкостей и используются в фотокатализе.
- Наночастицы модифицируют асфальт и используются в биомедицине.
- Наночастицы диоксида титана и оксида цинка применяются в солнцезащитных кремах.
-
Научные исследования
- Наночастицы интенсивно исследуются в различных областях.
- Национальная инициатива в области нанотехнологий предлагает государственное финансирование.
- Наночастицы используются в лазерных усилителях и для доставки лекарств.
- Наночастицы улучшают свойства полимеров и текстильных волокон.