Керамические наночастицы

Керамические наночастицы — это тип наночастиц , состоящих из керамики , которую обычно классифицируют как неорганические, термостойкие, неметаллические твердые вещества, которые могут состоять как из металлических, так и из неметаллических соединений. Материал обладает уникальными свойствами. Макромасштабная керамика хрупкая и жесткая и ломается при ударе. Однако керамические наночастицы выполняют более широкий спектр функций. ^[1] в том числе диэлектрические , сегнетоэлектрические , пьезоэлектрические , пироэлектрические , ферромагнитные , магниторезистивные , сверхпроводящие и электрооптические .

Керамические наночастицы были обнаружены в начале 1980-х годов. Они были сформированы с использованием процесса, называемого золь-гель , при котором наночастицы смешиваются в растворе и геле с образованием наночастиц. Более поздние методы включали спекание (давление и тепло, например, горячее изостатическое прессование ). Материал настолько мал, что у него практически нет недостатков. Крупномасштабные материалы имеют дефекты, которые делают их хрупкими.

В 2014 году исследователи объявили о процессе лазерной обработки полимеров и керамических частиц для формирования нанофермы. Эта конструкция смогла восстановить свою первоначальную форму после многократного дробления. ^{[ нужна ссылка ]}

Керамические наночастицы использовались в качестве механизма доставки лекарств при ряде заболеваний, включая бактериальные инфекции, глаукому и, чаще всего, химиотерапию при экспериментальном лечении рака . ^[2]

Характеристики

Керамические наночастицы обладают уникальными свойствами благодаря своему размеру и молекулярной структуре. Эти свойства часто проявляются в терминах различных явлений электрической и магнитной физики, которые включают в себя:

Диэлектрик - электрический изолятор, который можно поляризовать (электроны выровнены так, что есть отрицательная и положительная стороны соединения) электрическим полем, чтобы сократить расстояние переноса электронов в электрическом токе.
Сегнетоэлектрики - диэлектрические материалы, которые поляризуются более чем в одном направлении (отрицательная и положительная стороны могут меняться местами с помощью электрического поля).
Пьезоэлектрики – материалы, накапливающие электрический заряд при механическом воздействии.
Пироэлектрик - материал, который может создавать временное напряжение при изменении температуры.
Ферромагнетики - материалы, способные сохранять магнитное поле после намагничивания.
Магниторезистивные – материалы, изменяющие электрическое сопротивление под действием внешнего магнитного поля.
Сверхпроводящие — материалы, которые при охлаждении до критической температуры проявляют нулевое электрическое сопротивление.
Электрооптика - материалы, изменяющие оптические свойства под действием электрического поля.

Нанотрасса

Керамические наночастицы более чем на 85% состоят из воздуха и очень легкие, прочные, гибкие и долговечные. Фрактальная наноферма — это наноструктурная архитектура. ^[3] изготовлены из глинозема или оксида алюминия . Его максимальное сжатие составляет около 1 микрона при толщине 50 нанометров. После сжатия он может вернуться к своей первоначальной форме без каких-либо структурных повреждений.

Синтез

золь-гель

Одним из различных процессов изготовления нанокерамики является золь-гель процесс , также известный как осаждение химического раствора. Это включает в себя химический раствор или золь, состоящий из наночастиц в жидкой фазе и прекурсора , обычно геля или полимера, состоящего из молекул, погруженных в растворитель . Золь и гель смешиваются для получения оксидного материала, который обычно представляет собой разновидность керамики. Избыточные продукты (жидкий растворитель) выпаривают. Желаемые частицы затем нагреваются в процессе, называемом уплотнением, для получения твердого продукта. ^[4] Этот метод также можно применить для создания нанокомпозита путем нагревания геля на тонкой пленке с образованием нанокерамического слоя поверх пленки.

Двухфотонная литография

В этом процессе используется лазерная техника, называемая двухфотонной литографией, для травления полимера в трехмерную структуру. Лазер затвердевает места, к которым он прикасается, оставляя остальные незатвердевшими. Затем незатвердевший материал растворяется, образуя «оболочку». Затем оболочка покрывается керамикой, металлами, металлическим стеклом и т. д. В готовом виде наноферма ^[5] Керамику можно расплющить и вернуть в исходное состояние.

Спекание

В другом подходе спекание использовалось для консолидации нанокерамических порошков при высоких температурах. В результате получается грубый материал, который ухудшает свойства керамики и требует больше времени для получения конечного продукта. Этот метод также ограничивает возможную окончательную геометрию. Микроволновое спекание было разработано для решения таких проблем. Излучение производится магнетроном , который производит электромагнитные волны, вызывающие вибрацию и нагревание порошка. Этот метод позволяет мгновенно передавать тепло по всему объему материала, а не снаружи внутрь. ^[1]

Нанопорошок помещается в изоляционный ящик, состоящий из плит с низкой изоляцией, чтобы микроволны могли проходить через него. В коробке повышается температура, чтобы способствовать впитыванию. Внутри коробок находятся подозреваемые, которые поглощают микроволны при комнатной температуре, чтобы инициировать процесс спекания. Микроволновая печь нагревает подозреваемых примерно до 600 °C, чего достаточно, чтобы нанокерамика начала поглощать микроволны.

История

были сформированы первые наночастицы, в частности нанокерамика В начале 1980-х годов с использованием золь-геля . В начале 2000-х годов этот процесс был заменен спеканием, а затем микроволновым спеканием. Ни один из этих методов не оказался пригодным для крупномасштабного производства.

В 2002 году исследователи попытались реконструировать микроструктуру морских ракушек , чтобы укрепить керамику. ^[6] Они обнаружили, что долговечность ракушек обусловлена их «микроархитектурой». Исследования начали фокусироваться на том, как керамика может использовать такую архитектуру.

В 2012 году исследователи воспроизвели структуру морской губки с помощью керамики. ^[7] и наноархитектура под названием наноферма. ^[5] По состоянию на 2015 год самый крупный результат — куб размером 1 мм. Решётчатая структура сжимается до 85% от своей первоначальной толщины и может восстановить свою первоначальную форму. Эти решетки стабилизированы в виде треугольников с поперечинами для обеспечения структурной целостности и гибкости.

Приложения

Медицинская технология использовала керамические наночастицы для восстановления костей. Это было предложено для таких областей, как энергоснабжение и хранение, связь, транспортные системы, строительство и медицинские технологии. Их электрические свойства могут обеспечить эффективность передачи энергии, приближающуюся к 100%. Нанофермы в конечном итоге могут быть применимы для строительных материалов, заменив бетон или сталь. ^[8]^[9]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Абдельразек Халил, Халил (апрель 2012 г.). «Усовершенствованное спекание нанокерамических материалов» (PDF) . Керамические материалы – прогресс современной керамики . дои : 10.5772/38287 . ISBN 978-953-51-0476-6 .
^ Томас, Южная Каролина; Харшита; Мишра, ПК; Талегаонкар, С (2015). «Керамические наночастицы: методы изготовления и применение при доставке лекарств». Текущий фармацевтический дизайн . 21 (42): 6165–88. дои : 10.2174/1381612821666151027153246 . ПМИД 26503144 .
^ Фезенмайер, Кимм. «Керамика не должна быть хрупкой» . Калтех . Архивировано из оригинала 14 сентября 2014 года . Проверено 11 сентября 2014 г.
^ Ван, Чен-Чи; Инь, Джеки Ю. (15 сентября 1999 г.). «Золь-гель-синтез и гидротермальная обработка нанокристаллов анатаза и рутила и титана». Химия материалов . 11 (11): 3113–20. дои : 10.1021/cm990180f .
^ Перейти обратно: ^а ^б Фезенмайер, Кимм. «Работа с миниатюрными фермами» . Калтех . Архивировано из оригинала 28 мая 2014 года . Проверено 23 мая 2014 г.
^ Клэр Диоп, Джули. «НИОКР 2002: Нанокерамика» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 1 декабря 2002 г.
^ Фезенмайер, Кимм. «Материалы под заказ» . Калтех . Архивировано из оригинала 8 сентября 2013 года . Проверено 5 сентября 2013 г.
^ Ниссан, Бен (январь 2014 г.). «Нанокерамика в биомедицинских приложениях» . Вестник МРС . 29 (1): 28–32. дои : 10.1557/mrs2004.13 . hdl : 10453/4163 .
^ Руководство по керамическому покрытию

[main-1] Перейти обратно: ^а ^б Абдельразек Халил, Халил (апрель 2012 г.). «Усовершенствованное спекание нанокерамических материалов» (PDF) . Керамические материалы – прогресс современной керамики . дои : 10.5772/38287 . ISBN 978-953-51-0476-6 .

[2] Томас, Южная Каролина; Харшита; Мишра, ПК; Талегаонкар, С (2015). «Керамические наночастицы: методы изготовления и применение при доставке лекарств». Текущий фармацевтический дизайн . 21 (42): 6165–88. дои : 10.2174/1381612821666151027153246 . ПМИД 26503144 .

[Caltech_2-3] Фезенмайер, Кимм. «Керамика не должна быть хрупкой» . Калтех . Архивировано из оригинала 14 сентября 2014 года . Проверено 11 сентября 2014 г.

[Sol-gel-4] Ван, Чен-Чи; Инь, Джеки Ю. (15 сентября 1999 г.). «Золь-гель-синтез и гидротермальная обработка нанокристаллов анатаза и рутила и титана». Химия материалов . 11 (11): 3113–20. дои : 10.1021/cm990180f .

[Nanotruss-5] Перейти обратно: ^а ^б Фезенмайер, Кимм. «Работа с миниатюрными фермами» . Калтех . Архивировано из оригинала 28 мая 2014 года . Проверено 23 мая 2014 г.

[seashells-6] Клэр Диоп, Джули. «НИОКР 2002: Нанокерамика» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 1 декабря 2002 г.

[Caltech-7] Фезенмайер, Кимм. «Материалы под заказ» . Калтех . Архивировано из оригинала 8 сентября 2013 года . Проверено 5 сентября 2013 г.

[Biomedical-8] Ниссан, Бен (январь 2014 г.). «Нанокерамика в биомедицинских приложениях» . Вестник МРС . 29 (1): 28–32. дои : 10.1557/mrs2004.13 . hdl : 10453/4163 .

[9] Руководство по керамическому покрытию

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]