Нанофазная керамика

Нанофазная керамика — это керамика , представляющая собой нанофазные материалы (то есть материалы с размером зерен менее 100 нанометров). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Они обладают потенциалом сверхпластической деформации . ^{[ 1 ]} Из-за небольшого размера зерна и дополнительных свойств границ зерен, таких как пластичность, твердость и реакционная способность, наблюдаются резкие изменения по сравнению с керамикой с более крупными зернами.

Структура

Структура нанофазной керамики не слишком отличается от структуры керамики . Основное различие заключается в количестве площади поверхности на массу. Частицы керамики имеют небольшую площадь поверхности, но когда эти частицы уменьшаются до нескольких нанометров, площадь поверхности той же массы керамики значительно увеличивается. ^{[ 3 ]} Таким образом, в целом нанофазные материалы имеют большую площадь поверхности, чем у материала аналогичной массы в более крупном масштабе. ^{[ 3 ]} Это важно, поскольку если площадь поверхности очень велика, частицы могут контактировать с большей частью своего окружения, что, в свою очередь, увеличивает реакционную способность материала. ^{[ 3 ]} меняет его механические и химические свойства . Реакционная способность материала , среди прочего, ^{[ 3 ]} Особенно это касается нанофазной керамики.

Характеристики

Нанофазная керамика обладает уникальными свойствами, чем обычная керамика, благодаря улучшенной реакционной способности. ^{[ 3 ]} Нанофазная керамика проявляет другие механические свойства, чем ее аналог, такие как более высокая твердость , более высокая вязкость разрушения и высокая пластичность . ^{[ 4 ]} Эти свойства далеки от керамики , которая ведет себя как хрупкий, малопластичный материал.

Диоксид титана

Диоксид титана ( TiO
₂ ), как было показано, обладает повышенной твердостью и пластичностью на наноуровне. В ходе эксперимента зерна диоксида титана средним размером 12 нанометров были сжаты при давлении 1,4 ГПа и спечены при 200 °C. ^{[ 5 ]} В результате получилась твердость зерна примерно в 2,2 раза выше, чем у зерен диоксида титана со средним размером 1,3 микрометра при тех же температуре и давлении. ^{[ 5 ]} В этом же эксперименте пластичность диоксида титана измерялась . Чувствительность к скорости деформации зерна диоксида титана размером 250 нанометров составляла около 0,0175, тогда как зерно размером около 20 нанометров имело чувствительность к скорости деформации примерно 0,037; значительное увеличение. ^{[ 5 ]}

Обработка

Нанофазную керамику можно получать из атомарных, молекулярных или объемных предшественников. ^{[ 6 ]} Газовая конденсация, химическое осаждение , аэрозольные реакции, биологические шаблоны, химическое осаждение из паровой фазы и физическое осаждение из паровой фазы — это методы, используемые для синтеза нанофазной керамики из молекулярных или атомных предшественников. ^{[ 6 ]} Для обработки нанофазной керамики из объемных прекурсоров используют механическое истирание, кристаллизацию из аморфного состояния и фазовое разделение для создания нанофазной керамики. ^{[ 6 ]} Синтез нанофазной керамики из атомных или молекулярных предшественников более желателен, поскольку может возникнуть больший контроль над микроскопическими аспектами нанофазной керамики. ^{[ 6 ]}

Газовая конденсация

Газовая конденсация — один из способов производства нанофазной керамики. Сначала керамику-прекурсор испаряют из источников внутри газоконденсационной камеры. ^{[ 5 ]} Затем керамика конденсируется в газе (в зависимости от синтезируемого материала) и конвекцией транспортируется к холодному пальцу, наполненному жидким азотом. ^{[ 5 ]} Затем керамические порошки соскабливаются с холодного пальца и собираются в воронке под холодным пальцем. ^{[ 5 ]} Затем керамические порошки уплотняются в устройстве для уплотнения низкого давления, а затем в устройстве для уплотнения высокого давления. ^{[ 5 ]} Все это происходит в вакууме, поэтому никакие примеси не могут попасть в камеру и повлиять на результаты нанофазной керамики. ^{[ 5 ]}

Приложения

Нанофазная керамика обладает уникальными свойствами, которые делают ее оптимальной для различных применений.

Доставка лекарств

Материалы, используемые для доставки лекарств в последние десять лет, в основном представляли собой полимеры . Однако нанотехнологии открыли двери для использования керамики с преимуществами, ранее не наблюдавшимися у полимеров . Большое соотношение площади поверхности к объему нанофазных материалов позволяет высвобождать большие количества лекарств в течение длительных периодов времени. Наночастицы, которые будут наполнены лекарствами, можно легко манипулировать по размеру и составу, что позволяет увеличить эндоцитоз лекарств в целевых клетках и увеличить дисперсию через фенестрации в капиллярах. Хотя все эти преимущества относятся к наночастицам в целом (включая полимеры ), керамика обладает и другими уникальными способностями. В отличие от полимеров , медленная деградация керамики позволяет обеспечить более длительное высвобождение препарата. Полимеры также имеют тенденцию набухать в жидкости, что может вызвать нежелательный выброс лекарств. Отсутствие набухания, наблюдаемое у большинства керамик, позволяет повысить контроль. Керамика также может быть создана, чтобы соответствовать химическому составу биологических клеток организма, повышая биоактивность и биосовместимость. Нанофазные керамические носители лекарств также способны воздействовать на определенные клетки. Это можно сделать, изготовив материал для связи с конкретной клеткой или применив внешнее магнитное поле, притягивающее носитель к определенному месту.

Замена кости

Нанофазная керамика имеет большой потенциал для использования в ортопедической медицине . Кость и коллаген имеют структуры наномасштаба. Наноматериалы могут быть изготовлены для моделирования этих структур, что необходимо для того, чтобы трансплантаты и имплантаты могли успешно адаптироваться к различным нагрузкам и справляться с ними. Поверхностные свойства нанофазной керамики также очень важны для замещения и регенерации костной ткани. Нанофазная керамика имеет гораздо более шероховатую поверхность, чем более крупные материалы, а также увеличенную площадь поверхности. Это способствует реактивности и абсорбции белков, которые способствуют развитию тканей. Наногидроксиапатит — это нанофазная керамика, которая используется в качестве заменителя кости. Размер нанозерен увеличивает связывание, рост и дифференциацию остеобластов на керамике. Поверхности нанофазной керамики также можно сделать пористыми, что позволит остеобластам создавать кость внутри структуры. Деградация керамики также важна, поскольку скорость можно изменить, изменив кристалличность. Таким образом, по мере роста кости заменитель может уменьшаться с одинаковой скоростью.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Авербак, Роберт С. (21 мая 1992 г.). «Нанофазная керамика: Итоговый отчет» (PDF) . Университет Иллинойса Урбана-Шампейн. Архивировано (PDF) из оригинала 29 ноября 2014 г. Проверено 22 ноября 2014 г.
^ Лей Ян; Брайан В. Шелдон и Томас Дж. Вебстер (2010). «Нанофазная керамика для улучшения доставки лекарств: текущие возможности и проблемы» (PDF) . Бюллетень Американского керамического общества . п. 24 . Проверено 22 ноября 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Что такого особенного в наноразмерах?» . nano.gov. Проверено 1 декабря 2014 г.
↑ Шлуфарска, Изабела, Накано, Аитиро, Вашиста, Прия. (5 августа 2005 г.). «Перекресток в механическом отклике нанокристаллической керамики» sciencemag.com. Объем 309 стр. 911-913. По состоянию на 1 декабря 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Сигел, RW (1991). «Кластерно-собранные нанофазные материалы». Ежегодный обзор материаловедения . 21 : 559–578. Бибкод : 1991AnRMS..21..559S . дои : 10.1146/annurev.ms.21.080191.003015 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Сигел, Ричард В. «СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ» . Апрель 1995 г. По состоянию на 7 декабря 2014 г.

[Averback_1992-1] Jump up to: ^а ^б Авербак, Роберт С. (21 мая 1992 г.). «Нанофазная керамика: Итоговый отчет» (PDF) . Университет Иллинойса Урбана-Шампейн. Архивировано (PDF) из оригинала 29 ноября 2014 г. Проверено 22 ноября 2014 г.

[2] Лей Ян; Брайан В. Шелдон и Томас Дж. Вебстер (2010). «Нанофазная керамика для улучшения доставки лекарств: текущие возможности и проблемы» (PDF) . Бюллетень Американского керамического общества . п. 24 . Проверено 22 ноября 2014 г.

[Nanoscale-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Что такого особенного в наноразмерах?» . nano.gov. Проверено 1 декабря 2014 г.

[Szlufarska-4] Шлуфарска, Изабела, Накано, Аитиро, Вашиста, Прия. (5 августа 2005 г.). «Перекресток в механическом отклике нанокристаллической керамики» sciencemag.com. Объем 309 стр. 911-913. По состоянию на 1 декабря 2014 г.

[Siegel-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Сигел, RW (1991). «Кластерно-собранные нанофазные материалы». Ежегодный обзор материаловедения . 21 : 559–578. Бибкод : 1991AnRMS..21..559S . дои : 10.1146/annurev.ms.21.080191.003015 .

[Richard-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Сигел, Ричард В. «СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ» . Апрель 1995 г. По состоянию на 7 декабря 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]