Il ya deux façons générales disponibles pour produire des nanomatériaux, comme le montre la figure suivante. La première façon est de commencer avec un matériau en vrac et ensuite le briser en petits morceaux à l'aide mécanique, chimique ou autre forme d'énergie (top-down). Une approche opposée consiste à synthétiser le matériel à partir d'espèces atomiques ou moléculaires via des réactions chimiques, ce qui permet pour les particules de précurseur à croître en taille (bottom-up). Les deux approches peuvent être faits soit au gaz, liquide, fluides supercritiques, l'état solide, ou dans le vide. La plupart des fabricants sont intéressés à la capacité de contrôle: une taille de particule) b) la forme des particules c) la distribution granulométrique d) e la composition des particules) degré d'agglomération des particules.
| Figure 1 Deux approches de base pour la fabrication des nanomatériaux:. De gauche à droite) et bottom-up (de droite à gauche). |
Quels sont les processus utilisés pour la fabrication de bas en haut? Les méthodes pour produire des nanoparticules à partir d'atomes sont des procédés chimiques basées sur les transformations en solution, par exemple sol-gel, dépôt de vapeur chimique (CVD), le plasma ou projection à la flamme de synthèse, pyrolyse laser, de la condensation atomique ou moléculaire. Ces processus chimiques compter sur la disponibilité d'appropriée "métallo-organiques" en tant que précurseurs des molécules. Sol-gel diffère d'autres procédés chimiques en raison de sa température de traitement relativement bas. Ceci rend le procédé sol-gel rentable et polyvalente. Dans la pulvérisation des processus du flux des réactifs (gaz, liquide sous forme d'aérosols ou de mélanges des deux) est introduit à haute énergie flamme produite par exemple par projection plasma d'équipement ou d'un laser de dioxyde de carbone. Les réactifs se décomposent et les particules sont formées dans une flamme par nucléation homogène et de croissance. Rapide des résultats de refroidissement dans la formation de particules nanométriques. Ce sont des procédés chimiques pour matériaux à base de transformations en solution tels que le traitement sol-gel, hydroélectriques ou des synthèses SOLVO thermique, décomposition Metal Organic (MOD), ou dans le dépôt en phase vapeur chimique en phase vapeur (CVD). La plupart des itinéraires chimiques compter sur la disponibilité d'appropriée "métallo-organiques" en tant que précurseurs des molécules. Parmi les différents précurseurs d'oxydes métalliques, à savoir de métal et de b-dicétonates carboxylates métalliques, les alcoolates métalliques sont les plus polyvalents. Ils sont disponibles pour presque tous les éléments et le coût-efficacité de synthèse de matières premières bon marché ont été développés pour certains. Comment contrôler la construction et la croissance des nanoparticules Deux façons générales sont disponibles pour contrôler la formation et la croissance des nanoparticules. L'une est appelée précipitations arrêté et dépend soit de l'épuisement d'un des réactifs ou sur l'introduction de la substance chimique qui bloque la réaction. Une autre méthode repose sur une restriction physique du volume disponible pour la croissance des nanoparticules individuelles en utilisant des modèles. Procédé sol-gel La technique sol-gel est un processus établi de longue date pour la génération industrielle de nanoparticules colloïdales de la phase liquide, qui a été développée dans les dernières années pour la production de nanomatériaux et revêtements avancés. Sol-gel-processus sont bien adaptés pour nanoparticules d'oxyde de nanopoudres et les composites de synthèse. Les principaux avantages de techniques sol-gel pour la préparation des matériaux à basse température sont de traitement, la polyvalence et la rhéologie flexible permettant facilement façonner et d'intégration. Ils offrent des opportunités uniques pour l'accès à l'organique-inorganique matériaux. Les précurseurs les plus couramment utilisés sont des oxydes d'alcoxydes, en raison de leur disponibilité commerciale et à la responsabilité élevée de la M-ou une liaison permettant l'adaptation facile in situ au cours du traitement.
| Modèle de système de la figure 2. Pour les nanocomposites produite par sol-gel. |
Aérosol des processus basés sur Aérosol à base des processus sont une méthode commune pour la production industrielle de nanoparticules. Les aérosols peuvent être définies comme des particules solides ou liquides dans une phase gazeuse, où les particules peuvent aller de molécules jusqu'à 100 um. Les aérosols ont été utilisées dans la fabrication industrielle, bien avant la science de base et l'ingénierie des aérosols ont été comprises. Par exemple, les particules de noir de carbone utilisé dans les pigments et les pneus de voiture renforcé sont produites par la combustion d'hydrocarbures; pigments de dioxyde de titane pour une utilisation dans les peintures et les plastiques se fait par oxydation du tétrachlorure de titane; fumée de silice et d'oxyde de titane formé à partir de tétrachlorures respectifs par la flamme de pyrolyse; fibres optiques sont fabriqués par un processus similaire. Traditionnellement, la pulvérisation est utilisé soit pour matériaux secs ou humides pour déposer des revêtements. La pulvérisation de produits chimiques précurseurs sur une surface chauffée ou dans les résultats atmosphère chaude dans la pyrolyse de précurseurs et la formation des particules. Par exemple, une température ambiante électro-pulvérisation processus a été développé à l'Université d'Oxford pour produire des nanoparticules de semi-conducteurs composés et de certains métaux. En particulier, les nanoparticules de CdS ont été produites par générant des aérosols de micro-gouttelettes de sel CD contenant dans l'atmosphère contenant de l'hydrogène sulfuré. Chemical Vapor Deposition (CVD) CVD consiste à activer une réaction chimique entre la surface du substrat et d'un précurseur gazeux. L'activation peut être réalisé soit avec la température (CVD thermique) ou avec un plasma (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Le principal avantage est l'aspect non-directivité de cette technologie. Plasma permet de diminuer considérablement la température du procédé par rapport au processus de CVD thermique. CVD est largement utilisé pour produire des nanotubes de carbone. Condensation atomique ou moléculaire Cette méthode est utilisée principalement pour le métal contenant des nanoparticules. Un matériau en vrac est chauffé dans le vide pour produire un flux de matière vaporisée et atomisés, qui est dirigé vers une chambre contenant soit atmosphère de gaz inerte ou réactive. Le refroidissement rapide des atomes de métal due à leur collision avec les molécules de gaz les résultats dans la condensation et la formation des nanoparticules. Si un gaz réactif comme l'oxygène est utilisé, alors les nanoparticules d'oxyde métallique sont produites. L'utilisation en phase gazeuse de condensation pour produire Nanopoudres Métal La théorie de la condensation en phase gazeuse pour la production de nanopoudres métalliques est bien connue, ayant été la première fois en 1930. En phase gazeuse de condensation utilise une chambre à vide qui se compose d'un élément chauffant, le métal pour être transformé en nano-poudre, poudre et équipement de collecte de matériel vide.
| Figure 3. Principe de matériel inerte gaz à condensation. |
Comment le processus de condensation en phase gazeuse Travaux Le procédé utilise un gaz, qui est généralement inerte, à des pressions suffisamment élevées pour favoriser la formation de particules, mais suffisamment faible pour permettre la production de particules sphériques. Le métal est introduit sur un élément chauffant et est rapidement fondu. Le métal est rapidement pris à des températures bien au-dessus du point de fusion, mais moins que le point d'ébullition, de sorte que la vapeur d'une pression adéquate est obtenue. Le gaz est introduit en continu dans la chambre et enlevé par les pompes, de sorte que le flux de gaz se déplace le métal évaporé loin de l'élément chaud. Comme le gaz se refroidit la vapeur de métal, de taille nanométrique former des particules. Ces particules sont liquides car ils sont encore trop chaud pour être solide. Les particules liquides entrent en collision et fusionnent dans un environnement contrôlé afin que les particules se développer à la spécification, reste sphérique et avec des surfaces lisses. Comme les particules liquides sont ensuite refroidies sous contrôle, ils deviennent solides et grandir plus. A ce point les nanoparticules sont très réactifs, ils sont recouverts d'un matériau qui empêche plus d'interaction avec d'autres particules (agglomération) ou avec d'autres matériaux. Synthèse de fluides supercritiques Les méthodes utilisant des fluides supercritiques sont aussi puissantes pour la synthèse de nanoparticules. Pour ces méthodes, les propriétés d'un fluide supercritique (fluide contraint à l'état supercritique en régulant sa température et sa pression) sont utilisés pour former des nanoparticules par une expansion rapide d'une solution supercritique. Méthode de fluide supercritique est actuellement développée à l'échelle pilote dans un processus continu. Spinning Faire minces fibres de polymère Une technologie émergente pour la fabrication des fibres de polymère mince est basé sur le principe de la filature des solutions diluées de polymère dans un champ électrique élevé de tension. Electro filature est un processus par lequel une goutte suspendue de polymère est chargé avec des milliers de volts. Lors d'une tension caractéristique de la goutte forme un Taylor cône, et un fin jet de communiqués de polymère de la surface en réponse aux forces de traction générées par l'interaction d'un champ électrique appliqué, avec la charge électrique portée par le jet. Cela produit un faisceau de fibres polymères. Le jet peut être dirigé vers une surface au sol et recueillies dans une bande continue de fibres d'une taille allant quelques um à moins de 100 nm. Utilisation de modèles pour former des nanoparticules Tout matériau contenant régulière de taille nanométrique pores ou vides peuvent être utilisés comme modèle pour des nanoparticules de forme. Des exemples de ces modèles comprennent l'alumine poreuse, les zéolites, di-bloc de co-polymères, les dendrimères, les protéines et autres molécules. Le modèle ne doit pas être un objet 3D. Modèles artificiels peuvent être créés sur une surface plane ou une interface gaz-liquide en formant des monocouches auto-assemblées. Auto-assemblage de nanoparticules Les nanoparticules d'une large gamme de matériaux - y compris une variété de composés organiques et biologiques, mais aussi des oxydes minéraux, les métaux et les semi-conducteurs - peuvent être traitées à l'aide auto-assemblage chimique techniques. Ces techniques exploitent fixation sélective de molécules sur des surfaces spécifiques, la reconnaissance biomoléculaire et auto-organisation des principes (par exemple l'accueil préférentiel de brins d'ADN avec des paires de bases complémentaires), ainsi que bien développé la chimie pour la fixation des molécules sur des clusters et des substrats (par exemple un thiol (- SH) fin groupes) et d'autres techniques comme les micelles inverses, sonochimique, et la synthèse photochimique de réaliser 1-D, 2-D et 3-D nanostructures auto-assemblées. Les blocs de construction moléculaire agir en tant que pièces d'un puzzle qui se rejoignent dans un ordre parfait, sans la présence d'un moteur évident. Nanotechnologie moléculaire Offres Visions for the Future À long terme et visionnaire conceptions nanotechnologiques, cependant, vont bien au-delà de ces premières approches. Ceci s'applique en particulier au développement de matériaux biomimétiques avec la capacité d'auto-organisation, d'auto-guérison et d'auto-réplication à l'aide de la nanotechnologie moléculaire. Un objectif ici est la combinaison de matériaux synthétiques et biologiques, des architectures et des systèmes, respectivement, l'imitation des processus biologiques pour des applications technologiques. Ce domaine de la nanobiotechnologie est actuellement encore à l'état de la recherche fondamentale, mais est considéré comme l'un des domaines de recherche les plus prometteurs pour l'avenir. Note: Une liste complète des références peuvent être trouvées en se référant au texte original. |