Nanomateriale

Introducere

O gamă variată de termeni, ce prezintă prefixul “ nano “ , cum ar fi nanoparticulă , nanomaterial , nanotehnologie , nanostructurat , nanosinteză descriu anumite materiale și tehnologii , având proprietăți fizico-chimice speciale.

Termenul “nano” provine din limba greacă și semnifică o dimensiune foarte mică , egală cu a 〖10〗^(-9) parte dintr-un întreg. Un nanometru semnifică 〖10〗^(-9) m sau 〖10〗^(-3) μm, o cantitate extrem de mică cu enorm de multe aplicații în domeniul tehnologic al secolului XXI.

Noțiunea de “nanomaterial“ nu este complet nouă, materiale fin divizate fiind folosite de timp îndelungat drept catalizatori.

Nanomaterialele sunt considerate a fi constituite din nano-obiecte, nano-particule, nanofibre sau tuburi ce prezintă proprietăți specifice la scară nanometrică.

Domeniul materialelor nanostructurate anorganice s-a bucurat de un interes crescând, lucru datorat faptului că nanomaterialele prezintă proprietăți electrice, optice, mecanice și magnetice net superioare omologilor lor vrac. Acest fapt poate fi explicat prin aceea că nanomaterialele au dimensiuni mici, suprafață specifică mare, raport suprafață-volum mare și capacitatea de a forma suprafețe reactive foarte rezistente și cu durată mare de viață.

Din categoria materialelor nanostructurate, oxizii metalici, în special materialele semiconductoare oxidice cu bandă interzisă largă, datorită proprietăților lor electrice și optice variate, au beneficiat de-a lungul timpului de un interes deosebit. Acestea pot fi transparente în vizibil și infraroșu și pot fi atât izolatoare cât și semiconductoare. Dintre oxizii metalici cu bandă largă, o aplicabilitate deosebită o are dioxidul de titan tare.

Printre metalele folosite pentru a îmbunătăți activitatea fotocatalitică a TiO2 în vizibil se numără și vanadiul, studiile realizate până în prezent arătând că se produce o îmbunătățire destul de mare prin dopare cu acest metal. O explicație posibilă ar fi aceea că, prin iradiere cu lumină vizibilă, centrii de vanadiu excitați donează electroni în banda de conducție a TiO2, lucru care permite oxidarea moleculelor adsorbite la suprafață. Vanadiul pare a fi deci un candidat destul de interesant pentru a obține dioxid de titan dopat care să prezinte proprietăți valoroase

Nanomaterialele pot fi metale, ceramice, materiale compozite, polimeri ce prezintă cel puțin una din dimensiuni mai mică de 100 nm.

Într-un nanometru pot fi incluși între 3 și 5 atomi aliniați, iar prin comparație diametrul firului de păr este de 5 ori mai mare decât o nanoparticulă. Un atom de plumb metalic are diametru de 0.35nm, un nanotub de carbon are un diametru cuprins între 1 și 10nm, iar un fir de păr are un diametru de 100 000nm.

În timp ce înțelegerea științifică a nanostructurilor este incompletă și rezervă cercetărilor rezultate neașteptate, materialele nanometrice au fost produse și folosite de om de sute de ani, Vopseaua folosită de tribul Maya reprezintă un material hibrid nanostructurat. Culoarea, rezistența la acizi și coroziune a acesteia nici până astăzi nu au fost pe deplin explicate. Roșul rubiniu al sticlăriei se datorează distribuirii nanoparticulelor de aur într-o matrice de sticlă, emailul folosit în olărit, în perioada medievală, conținea particule metalice dispersate, ce confereau strălucire și proprietăți optice speciale.

Materialele ceramice sunt cunoscute și folosite de către om încă de la începuturile civilizației. Astăzi nanoceramicele prezintă proprietăți specifice superioare ceramicelor tradiționale mai ales la temperaturi la care acestea din urmă nu ar fi rezistat.

Nu numai materialele ceramice au atras atenția cercetătorilor ci și materialele polimere, sticla, elastomerii, mai ales ca consumabile pentru industria automobilelor. Cauciucul poate fi primul exemplu de produs al nanotehnologie, datorită adaosului de nanoparticule carbon și sulf pentru creșterea durabilității. Particulele nanometrice de carbon au dus la modificarea comportamentului cauciucului, producând o adevărată revoluție la sfârșitul secolului 19 și începutul secolului 20.

Evoluția tehnologiei

Din punct de vedere istoric, în funcție de contribuțiile aduse de cercetători, evoluția tehnologiei se poate împărți în trei perioade.

Perioada empirică este guvernată de materiale, tehnologii și tehnici la scara macroscopică.

Anii ' 60 reprezintă momentul dezvoltării științei materialelor, al înțelegerii fenomenelor ce au loc la suprafața materialelor.

La începutul anilor ' 80 se declanșează o adevărată revoluție a tehnici, când se dezvoltă metodele de elaborare, mijloacele de manipulare și de caracterizare a structurilor nanometrice. Nanotuburile, nanostraturile, nanofirele sunt deocamdată situate la frontiera tehnologiei, pentru că, în prezent, nu se prevede o manipulare a unor structuri mai mici.

Nanotehnologia se poate defini ca fiind ramura tehnologică ce se focalizează pe producerea controlată și pe dezvoltarea noilor materiale de precizie la nivel atomic, molecular sau macromolecular, denumite nanomateriale, caracterizarea acestora și integrarea lor în materiale, componente, structuri și arhitecturi mai complexe.

În anul 1974, cercetătorul Norio Taniguchi, de la Universitatea din Tokio, a fost cel care a denumit acest nou domeniu „ nanotehnologie ”, făcând distincție între tehnologia la scară micrometrică ( ce stă la baza producerii dispozitivelor micro-electronice) și cea la scară submicrometrică, ce abia începea să se dezvolte.