Нанопористые материалы

Нанопористые материалы состоят из регулярной органической или неорганической объемной фазы, в которой присутствует пористая структура. Нанопористые материалы имеют диаметры пор, которые наиболее удобно измерять в нанометрах . Таким образом, диаметр пор в нанопористых материалах обычно составляет 100 нанометров или меньше. Поры могут быть открытыми или закрытыми, а связность пор и доля пустот значительно различаются, как и в других пористых материалах. Открытые поры — это поры, которые соединяются с поверхностью материала, тогда как закрытые поры — это карманы пустого пространства внутри объемного материала. Открытые поры полезны для методов молекулярного разделения, исследований адсорбции и катализа. Закрытые поры в основном используются в теплоизоляционных материалах и в конструкционных целях. ^[1]

Большинство нанопористых материалов можно отнести к объемным материалам или мембранам. Активированный уголь и цеолиты являются двумя примерами объемных нанопористых материалов, тогда как клеточные мембраны можно рассматривать как нанопористые мембраны. ^[2]Пористая среда или пористый материал – это материал, содержащий поры (пустоты). Скелетную часть материала часто называют «матрицей» или «рамкой». Поры обычно заполнены жидкостью (жидкостью или газом).

Существует множество природных нанопористых материалов, но можно производить и искусственные материалы. Один из способов сделать это — объединить полимеры с разными температурами плавления, чтобы при нагревании один полимер разлагался. Нанопористый материал с порами одинакового размера обладает свойством пропускать только определенные вещества и блокировать другие. ^[2]

Классификации

Классификация по размеру

Термин «наноматериалы» охватывает разнообразные формы материалов с различными применениями. Согласно ИЮПАК пористые материалы подразделяются на 3 категории: ^[3]

Микропористые материалы : 0,2–2 нм. ^[4]
Мезопористые материалы : 2–50 нм. ^[5]
Макропористые материалы : 50–1000 нм. ^[5]

Эти категории противоречат классическому определению нанопористых материалов, поскольку они имеют диаметр пор от 1 до 100 нм. ^[1] Этот диапазон охватывает все перечисленные выше классификации. Однако для простоты ученые предпочитают использовать термин «наноматериалы» и вместо этого перечисляют соответствующий диаметр. ^[1]

Микропористые и мезопористые материалы выделяют в отдельные классы материалов из-за различных применений, которые обеспечивают размеры пор этих материалов. Что сбивает с толку, термин «микропористый» используется для описания материалов с порами меньшего размера, чем материалы, которые обычно называют просто нанопористыми. Точнее, микропористые материалы лучше понимать как разновидность нанопористых материалов, а именно материалов с диаметром пор менее 2 нм. ^[6] Имея диаметры пор, соответствующие масштабам молекул, такие материалы позволяют использовать приложения, требующие молекулярной селективности, такие как для фильтрации и разделения мембраны . Мезопористые материалы, обычно относящиеся к материалам со средним диаметром пор в диапазоне 2-50 нм, интересны в качестве материалов-носителей катализаторов и адсорбентов из-за их высокого отношения площади поверхности к объему.

Иногда классификация по размеру становится затруднительной, поскольку могут существовать пористые материалы разного диаметра. Например, микропористые материалы могут иметь несколько пор диаметром от 2 до 50 нм из-за случайной упаковки зерен. ^[3] Эти особенности необходимо учитывать при классификации по размеру пор.

Классификация по сетевым материалам

Помимо классификации по размеру, нанопористые материалы можно разделить на органические и неорганические сетчатые материалы. ^[3] Сетчатый материал — это структура, в которой «вмещаются» поры и где среда (газ или жидкость) взаимодействует с подложкой. ^[3] Хотя существует множество неорганических нанопористых мембран, органических мало из-за проблем со стабильностью. ^[7]

Органический

Органические нанопористые материалы представляют собой полимеры, состоящие из таких элементов, как бор, углерод, азот и кислород. ^[8] Эти материалы обычно являются микропористыми, хотя существуют мезопористые/микропористые структуры. ^[8] К ним относятся ковалентные органические каркасы (COF), ковалентные триазиновые каркасы, полимеры с собственной микропористостью (PIM), сверхсшитые полимеры (HCP) и сопряженные микропористые полимеры (CMP). ^[8] Каждый из них имеет различную структуру и этапы производства. Как правило, для создания органических нанопористых материалов мономер с более чем двумя разветвлениями (т.е. ковалентными связями ) растворяют в растворителе . После добавления дополнительных мономеров и полимеризации растворитель удаляется, а оставшаяся структура считается нанопористым материалом. ^[8]

Органические нанопористые материалы можно разделить на кристаллические и аморфные сетки. ^[8] Кристаллические сети — это материалы, которые имеют четко определенные размеры пор. Размеры пор настолько четко определены, что, просто меняя мономер, можно получить поры разных размеров. ^[8] COF являются примером такой кристаллической структуры. Напротив, аморфные нанопористые материалы имеют распределение пор по размерам и обычно неупорядочены. Примером являются PIM. Обе категории имеют различное применение в реакциях сорбции и катализа газов. ^[8]

Неорганический

Неорганические нанопористые материалы представляют собой пористые материалы, в которых используются материалы оксидного типа, углеродные, бинарные и чистые металлические материалы. Примеры включают цеолиты , нанопористый оксид алюминия и нанотрубки из титана. ^[3] Цеолиты представляют собой кристаллические гидратированные тектоалюмосиликаты. Этот материал представляет собой комбинацию щелочных/щелочноземельных металлов, оксида алюминия и гидратов кремнезема. Они используются для ионообменных кроватей. ^[9] и для очистки воды. ^[10] Нанопористый оксид алюминия — биосовместимый материал, широко используемый в различных стоматологических и ортопедических имплантатах. ^[11] Нанотрубки титана также используются в ортопедии, но они являются особенными, поскольку могут образовывать слой оксида титана под воздействием кислорода. ^[12] Поскольку поверхность материала защищена от оксидов, этот материал обладает превосходной биосовместимостью и невероятной механической прочностью. ^[12]

Приложения

Хранение/обнаружение газа

Хранение газа имеет решающее значение для энергетики, медицины и охраны окружающей среды. Нанопористые материалы позволяют использовать уникальный метод хранения газа посредством адсорбции . ^[13] Когда подложка и газ взаимодействуют друг с другом, молекулы газа могут физически адсорбироваться или ковалентно связываться с нанопористым материалом, что известно как физическое хранение и химическое хранение соответственно. ^[14] Хотя газы можно хранить в объемной фазе, например, в бутылке, нанопористые материалы обеспечивают более высокую плотность хранения, что привлекательно для энергетических применений. ^[13]

Одним из примеров такого применения является хранение водорода . С началом изменения климата растет интерес к автомобилям с нулевым уровнем выбросов, особенно к электромобилям на топливных элементах. ^[15] Храня водород высокой плотности с использованием пористых материалов, можно увеличить запас хода электромобиля. ^[13]

Другой вариант использования нанопористых материалов — подложка для газовых датчиков. Например, измерение удельного электрического сопротивления пористого металла может дать точную концентрацию аналита в газообразной форме. ^[1] Поскольку удельное сопротивление подложки пропорционально площади поверхности пористой среды, использование нанопористых материалов обеспечит более высокую чувствительность при обнаружении следовых газовых частиц, чем их объемные аналоги. Это особенно полезно, поскольку нанопористые материалы имеют более высокую эффективную площадь поверхности, нормализованную к площади поверхности, вид сверху.

Биологические применения

Нанопористые материалы также используются в биологических целях. Реакции, катализируемые ферментами , в биологических приложениях широко используются для метаболизма и обработки больших молекул. Нанопористые материалы дают возможность внедрять ферменты в пористую подложку, что увеличивает продолжительность реакций для долгосрочных имплантатов. ^[1] Другое применение можно найти в секвенировании ДНК. Покрывая неорганическую нанопористую мембрану изоляционным материалом, нанопоры можно использовать для анализа одиночных молекул. Пропустив ДНК через эти нанопоры, можно считывать ионный ток через пору, который можно соотнести с одним из четырех нуклеотидов . ^[16]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лу, GQ Макс; Чжао, Сю Сун (22 ноября 2004 г.). Нанопористые материалы: наука и техника . Всемирная научная. ISBN 978-1-78326-179-6 .
^ Jump up to: ^а ^б Холистер, Пол. «Нанопористые материалы» (PDF) . Научная . Проверено 6 февраля 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Полярц, Себастьян; Смартли, Бернд (2002). «Нанопористые материалы» . Журнал нанонауки и нанотехнологий . 2 (6): 581–612. дои : 10.1166/jnn.2002.151 . ISSN 1533-4880 . ПМИД 12908422 .
^ «Золотая книга ИЮПАК – микропористый углерод» .
^ Jump up to: ^а ^б «Золотая книга ИЮПАК – макропористый полимер» .
^ Полисилсесквиоксан с мостиком биспропилмочевины: микропористый MOF-подобный материал для молекулярного распознавания. Хемосфера (2021), 276, 130181
^ Хентце, Х.-П; Антониетти, М (01 августа 2001 г.). «Темплатный синтез пористых органических полимеров» . Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 5 (4): 343–353. дои : 10.1016/S1359-0286(01)00008-0 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Доусон, Роберт; Купер, Эндрю И.; Адамс, Дэйв Дж. (1 апреля 2012 г.). «Нанопористые сети органических полимеров» . Прогресс в науке о полимерах . Актуальный вопрос по физике полимеров. 37 (4): 530–563. doi : 10.1016/j.progpolymsci.2011.09.002 . ISSN 0079-6700 .
^ Инглезакис, Василис Дж. (1 января 2005 г.). «Понятие «емкость» в цеолитовых ионообменных системах» . Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 281 (1): 68–79. дои : 10.1016/j.jcis.2004.08.082 . ISSN 0021-9797 . ПМИД 15567382 .
^ Сэвидж, Нора; Диалло, Мамаду С. (1 октября 2005 г.). «Наноматериалы и очистка воды: возможности и проблемы» . Журнал исследований наночастиц . 7 (4): 331–342. дои : 10.1007/s11051-005-7523-5 . ISSN 1572-896X . S2CID 136561598 .
^ Азеведо, К.; Тавернье, Б.; Винь, Жан Луи; Сенедез, Пьер; Дюбо, Пьер (2008). «Проектирование структуры нанопористого оксида алюминия и свойств поверхности стоматологического композита» . Ключевые инженерные материалы . 361–363: 809–812. doi : 10.4028/www.scientific.net/KEM.361-363.809 . ISSN 1662-9795 . S2CID 137339587 .
^ Jump up to: ^а ^б Гюльтепе, Эвин; Нагеша, Даттатри; Шридхар, Шринивас; Амиджи, Мансур (март 2010 г.). «Нанопористые неорганические мембраны или покрытия для устойчивой доставки лекарств в имплантируемые устройства» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 62 (3): 305–315. дои : 10.1016/j.addr.2009.11.003 . ISSN 0169-409X . ПМИД 19922749 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Моррис, Рассел Э.; Уитли, Пол С. (2008). «Хранение газа в нанопористых материалах» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 47 (27): 4966–4981. дои : 10.1002/anie.200703934 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 18459091 .
^ Брум, Даррен П.; Томас, К. Марк (май 2013 г.). «Адсорбция газа нанопористыми материалами: будущие применения и экспериментальные задачи» . Вестник МРС . 38 (5): 412–421. дои : 10.1557/mrs.2013.105 . ISSN 0883-7694 .
^ Росс, ДК (3 августа 2006 г.). «Хранение водорода: основной технологический барьер на пути разработки автомобилей на водородных топливных элементах» . Вакуум . Мировой энергетический кризис: некоторые решения на основе вакуума. 80 (10): 1084–1089. дои : 10.1016/j.vacuum.2006.03.030 . ISSN 0042-207X . S2CID 17891215 .
^ Деррингтон, Ян М.; Батлер, Том З.; Коллинз, Маркус Д.; Манрао, Элизабет; Павленок Михаил; Нидервейс, Майкл; Гундлах, Йенс Х. (14 сентября 2010 г.). «Секвенирование ДНК нанопор с помощью MspA» . Труды Национальной академии наук . 107 (37): 16060–16065. дои : 10.1073/pnas.1001831107 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2941267 . ПМИД 20798343 .

[:02-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лу, GQ Макс; Чжао, Сю Сун (22 ноября 2004 г.). Нанопористые материалы: наука и техника . Всемирная научная. ISBN 978-1-78326-179-6 .

[Nanoporous_Materials-2] Jump up to: ^а ^б Холистер, Пол. «Нанопористые материалы» (PDF) . Научная . Проверено 6 февраля 2013 г.

[Polarz_2002_581–612-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Полярц, Себастьян; Смартли, Бернд (2002). «Нанопористые материалы» . Журнал нанонауки и нанотехнологий . 2 (6): 581–612. дои : 10.1166/jnn.2002.151 . ISSN 1533-4880 . ПМИД 12908422 .

[4] «Золотая книга ИЮПАК – микропористый углерод» .

[goldbook.iupac.org2-5] Jump up to: ^а ^б «Золотая книга ИЮПАК – макропористый полимер» .

[6] Полисилсесквиоксан с мостиком биспропилмочевины: микропористый MOF-подобный материал для молекулярного распознавания. Хемосфера (2021), 276, 130181

[7] Хентце, Х.-П; Антониетти, М (01 августа 2001 г.). «Темплатный синтез пористых органических полимеров» . Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 5 (4): 343–353. дои : 10.1016/S1359-0286(01)00008-0 .

[:2-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Доусон, Роберт; Купер, Эндрю И.; Адамс, Дэйв Дж. (1 апреля 2012 г.). «Нанопористые сети органических полимеров» . Прогресс в науке о полимерах . Актуальный вопрос по физике полимеров. 37 (4): 530–563. doi : 10.1016/j.progpolymsci.2011.09.002 . ISSN 0079-6700 .

[9] Инглезакис, Василис Дж. (1 января 2005 г.). «Понятие «емкость» в цеолитовых ионообменных системах» . Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 281 (1): 68–79. дои : 10.1016/j.jcis.2004.08.082 . ISSN 0021-9797 . ПМИД 15567382 .

[10] Сэвидж, Нора; Диалло, Мамаду С. (1 октября 2005 г.). «Наноматериалы и очистка воды: возможности и проблемы» . Журнал исследований наночастиц . 7 (4): 331–342. дои : 10.1007/s11051-005-7523-5 . ISSN 1572-896X . S2CID 136561598 .

[11] Азеведо, К.; Тавернье, Б.; Винь, Жан Луи; Сенедез, Пьер; Дюбо, Пьер (2008). «Проектирование структуры нанопористого оксида алюминия и свойств поверхности стоматологического композита» . Ключевые инженерные материалы . 361–363: 809–812. doi : 10.4028/www.scientific.net/KEM.361-363.809 . ISSN 1662-9795 . S2CID 137339587 .

[:3-12] Jump up to: ^а ^б Гюльтепе, Эвин; Нагеша, Даттатри; Шридхар, Шринивас; Амиджи, Мансур (март 2010 г.). «Нанопористые неорганические мембраны или покрытия для устойчивой доставки лекарств в имплантируемые устройства» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 62 (3): 305–315. дои : 10.1016/j.addr.2009.11.003 . ISSN 0169-409X . ПМИД 19922749 .

[:12-13] Jump up to: ^а ^б ^с Моррис, Рассел Э.; Уитли, Пол С. (2008). «Хранение газа в нанопористых материалах» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 47 (27): 4966–4981. дои : 10.1002/anie.200703934 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 18459091 .

[14] Брум, Даррен П.; Томас, К. Марк (май 2013 г.). «Адсорбция газа нанопористыми материалами: будущие применения и экспериментальные задачи» . Вестник МРС . 38 (5): 412–421. дои : 10.1557/mrs.2013.105 . ISSN 0883-7694 .

[15] Росс, ДК (3 августа 2006 г.). «Хранение водорода: основной технологический барьер на пути разработки автомобилей на водородных топливных элементах» . Вакуум . Мировой энергетический кризис: некоторые решения на основе вакуума. 80 (10): 1084–1089. дои : 10.1016/j.vacuum.2006.03.030 . ISSN 0042-207X . S2CID 17891215 .

[16] Деррингтон, Ян М.; Батлер, Том З.; Коллинз, Маркус Д.; Манрао, Элизабет; Павленок Михаил; Нидервейс, Майкл; Гундлах, Йенс Х. (14 сентября 2010 г.). «Секвенирование ДНК нанопор с помощью MspA» . Труды Национальной академии наук . 107 (37): 16060–16065. дои : 10.1073/pnas.1001831107 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2941267 . ПМИД 20798343 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]