Der er to generelle måder til rådighed til at producere nanomaterialer, som vist i følgende figur. Den første måde er at starte med en bulk-materiale, og derefter bryde den op i mindre stykker ved hjælp af mekanisk, kemisk eller anden form for energi (top-down). En modsatte fremgangsmåde er at syntetisere materiale fra atomare eller molekylære arter via kemiske reaktioner, der giver mulighed for forløberen partikler til at vokse i størrelse (bottom-up). Begge metoder kan gøres i enten gas, væske, superkritisk væske, fast stater, eller i vakuum. De fleste af de producenter er interesserede i at evnen til at kontrollere: a) partikelstørrelse b) partikel form c) størrelsesfordelingen d) partikel sammensætning e) grad af partikel byområde.
| Figur 1 To grundlæggende tilgange til nanomaterialer fabrikation:. Fra venstre til højre) og bottom-up (fra højre til venstre). |
Hvilke processer anvendes for bottom-up Manufacturing? Metoder til fremstilling af nanopartikler fra atomer er kemiske processer baseret på forandringer i opløsning fx sol-gel behandling, kemisk dampudfældning (CVD), plasma eller flamme sprøjtning syntese, laser pyrolyse, atomare eller molekylære kondens. Disse kemiske processer er afhængige af tilgængeligheden af egnede "metal-organiske" molekyler som forløbere. Sol-gel behandling adskiller sig fra andre kemiske processer på grund af sin relativt lave behandling temperatur. Dette gør sol-gel proces omkostningseffektiv og alsidig. Ved sprøjtning processer strømmen af reaktanter (gas, væske i form af aerosoler eller blandinger af begge) er introduceret til høj energi flamme produceret for eksempel ved plasma sprøjteudstyr eller kuldioxid laser. Reaktanter nedbrydes og partikler dannes i en flamme af homogen nukleær og vækst. Hurtig nedkøling resulterer i dannelsen af nanoskala partikler. Disse er kemiske processer til materialer baseret på omdannelser i opløsning, såsom sol-gel behandling, vandkraft eller solvo termisk synteser, Metal Økologisk nedbrydning (MOD), eller i den dampfasen kemisk dampudfældning (CVD). De fleste kemiske ruter stoler på tilgængeligheden af egnede "metal-organiske" molekyler som forløbere. Blandt de forskellige forløbere for metaloxider, metal, nemlig b-diketonates og metal carboxylater, metal alkoxides er de mest alsidige. De er tilgængelige for næsten alle elementer og omkostningseffektive syntese fra billige råvare er blevet udviklet for nogle. Sådan Control Byggeri og vækst af nanopartikler To generelle måder er rådighed til at kontrollere dannelse og vækst af nanopartikler. Den ene hedder anholdt nedbør og afhænger enten om konsumption af en af reaktanter, eller om indførelsen af de kemiske, der ville blokere reaktionen. En anden metode bygger på en fysisk begrænsning af den mængde til rådighed for vækst af de enkelte nanopartikler ved hjælp af skabeloner. Sol-gel proces Den sol gel teknik er en veletableret industriel proces til produktion af kolloid nanopartikler fra flydende fase, som er blevet yderligere udviklet i de seneste år med henblik på produktion af avancerede nanomaterialer og belægninger. Sol-gel-processer er godt tilpasset til oxid nanopartikler og kompositter nanopowders syntese. De væsentligste fordele ved sol-gel teknik til fremstilling af materialer er lav temperatur behandling, alsidighed og fleksibel reologi giver nem at forme og forankring. De tilbyder unikke muligheder for adgang til organiske-uorganiske materialer. De mest almindeligt anvendte prækursorer af oxider er alkoxides, på grund af deres kommercielle tilgængelighed og til den høje ansvar i M-eller obligationsmarkedet så letkøbt skræddersy in situ under behandlingen.
| Figur 2. System model for nanokompositter produceret af sol-gel. |
Aerosol-baserede processer Aerosol-baserede processer er en fælles metode til industriel produktion af nanopartikler. Aerosoler kan defineres som faste eller flydende partikler i en gas fase, hvor partiklerne kan variere fra molekyler op til 100 ìm i størrelse. Aerosoler blev brugt i industriel produktion længe før de grundlæggende videnskab og teknik af aerosolerne blev forstået. For eksempel er carbon black partikler, der anvendes i pigmenter og forstærkede bildæk produceret af kulbrinter forbrænding; Titania pigment til brug i maling og plast er fremstillet ved oxidation af titantetrachlorid, pyrogen silica og Titania dannet fra respektive tetrachlorides ved flamme pyrolyse, optiske fibre er Fremstillet af lignende proces. Traditionelt er sprøjtning anvendes enten til at tørre våde materialer eller at deponere belægninger. Sprøjtning af prækursorer på en opvarmet overflade eller i den varme atmosfæren resulterer i forløber pyrolyse og dannelsen af partikler. For eksempel blev en rumtemperatur electro-sprøjtning proces, udviklet på Oxford Universitet for at producere nanopartikler af sammensatte halvledere og nogle metaller. Især blev CdS nanopartikler, som produceres ved at generere aerosol mikro-dråber indeholdende Cd salt i atmosfæren, som indeholder svovlbrinte. Kemisk dampudfældning (CVD) CVD består i at aktivere en kemisk reaktion mellem substratoverflade og gas forløber. Aktivering kan opnås enten med temperatur (termisk CVD) eller med en plasma (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Den største fordel er nondirective aspekt af denne teknologi. Plasma giver mulighed for at falde markant processen temperaturen i forhold til den termiske CVD processen. CVD er meget anvendt til at producere kulstof nanorør. Atomic eller Molekylær Kondens Denne metode anvendes især til metal, der indeholder nanopartikler. En bulk materiale er opvarmet i vakuum til at producere en strøm af fordampes og forstøvet materiale, der er rettet mod et kammer indeholdende enten inert eller reaktiv gas atmosfære. Hurtig køling af metal atomer på grund af deres sammenstød med gassen molekyler resulterer i kondensering og dannelsen af nanopartikler. Hvis en reaktiv gas som ilt bliver brugt så metal oxide nanopartikler er produceret. Brug af gas-fase Kondens at producere Metal nanopowders Teorien om gas-fase kondensdannelse til produktion af metal nanopowders er velkendt, at have været første gang rapporteret i 1930. Gas-fase kondens bruger et vakuumkammer, der består af et varmeelement, at metallet gøres til nano-pulver, pulver opsamlingsmateriel og vakuum hardware.
| Figur 3. Princip af inert gas kondens materiale. |
Hvordan Gas-Phase Kondens processen fungerer Processen anvender en gas, som typisk er inaktivt, ved tryk på højt nok til at fremme partikel dannelse, men lavt nok til, at produktionen af sfæriske partikler. Metal er introduceret på en opvarmet element og er hurtigt smeltet. Metallet er hurtigt taget til temperaturer langt over smeltepunktet, men mindre end kogepunktet, således at en passende damptryk er opnået. Gas er løbende indføres i kammeret og fjernes ved pumperne, så gasstrømmen flytter fordampet metal væk fra den varme element. Da gassen afkøler metaldamp, nanometer-store partikler form. Disse partikler er flydende, da de er stadig for varmt til at være fast. Det flydende partikler støder sammen og smelte sammen i et kontrolleret miljø, således at partiklerne vokse til specifikation, resterende sfæriske og med glatte overflader. Som den flydende partikler yderligere køles under kontrol, at de bliver faste og gror ikke længere. På dette tidspunkt nanopartikler er meget reaktive, så de er belagt med et materiale, der forebygger yderligere interaktion med andre partikler (byområde) eller med andre materialer. Superkritisk Syntese Metoder ved hjælp af superkritisk væske er også magtfulde for syntese af nanopartikler. For disse metoder, er de egenskaber af en superkritisk væske (væske tvunget ind i superkritisk tilstand ved at regulere dens temperatur og tryk), der anvendes til at danne nanopartikler ved en hurtig udvidelse af en superkritisk løsning. Superkritisk metode er udviklet på pilotskala i en kontinuerlig proces. Spinning for at få tynde polymer fibre En ny teknologi til fremstilling af tynde polymer fibre er baseret på princippet om spinning fortyndede polymer løsninger i en høj spænding elektrisk felt. Electro spinning er en proces, hvor en suspenderet dråbe polymer er sigtet for tusindvis af volt. På et karakteristisk spænding dråben danner en Taylor kegle, og en fin stråle af polymer udslip fra overfladen som svar på trækkræfter genereret af samspillet mellem et elektrisk felt, med den elektriske ladning af jet. Dette giver et bundt af polymer fibre. Jet kan rettes til en jordet overflade og indsamlet som et sammenhængende net af fibre varierer i størrelse fra få μm er til mindre end 100 nm. Brug af skabeloner til Form Nanopartikler Alt materiale indeholdende regelmæssig nano-størrelse porer eller hulrum kan bruges som en skabelon til at danne nanopartikler. Eksempler på sådanne skabeloner inkluderer porøse aluminiumoxid, zeolitter, di-blok copolymerer, dendrimers, proteiner og andre molekyler. Skabelonen behøver ikke at være et 3D-objekt. Kunstig skabeloner kan oprettes på en plan overflade eller en gas-væske grænsefladen ved at danne selvstændige samlet monolag. Selvsamling af nanopartikler Nanopartikler af en bred vifte af materialer - herunder en række af organiske og biologiske forbindelser, men også uorganiske oxider, metaller og halvledere - kan blive behandlet med kemiske saml-selv-teknikker. Disse teknikker udnytte selektiv fastgørelse af molekyler til specifikke overflader, biomolekylære anerkendelse og selv-bestilling principper (f.eks præferentielle kupering af DNA-strenge med komplementære basepar) samt en veludviklet kemi til fastgørelse molekyler på klynger og substrater (f.eks thiol (- SH) endegrupper) og andre teknikker som omvendt micelle, sonochemical, og fotokemisk syntese at realisere 1-D, 2-D og 3-D self-samlet nanostrukturer. Den molekylære byggesten fungere som dele af et puslespil at slutte sig sammen i en perfekt orden uden en oplagt drivkraft til stede. Molekylær Nanoteknologi byder Visioner for fremtiden Langsigtet og visionær nanoteknologiske forestillinger, går imidlertid langt ud over disse første tilgange. Dette gælder især for udviklingen af biomimetiske materialer med evne til selvorganisering, self-healing og selv-replikation ved hjælp af molekylær nanoteknologi. Et mål her er en kombination af syntetiske og biologiske materialer, arkitekturer og systemer, henholdsvis efterligning af biologiske processer for teknologiske anvendelser. Dette felt af nanobioteknologi er på nuværende tidspunkt stadig i tilstand af grundforskning, men betragtes som en af de mest lovende forskningsområder for fremtiden. Bemærk: En komplet liste over referencer kan findes ved at henvise til den oprindelige tekst. |