Det er to generelle metoder tilgjengelig for å produsere nanomaterialer, som vist i figuren nedenfor. Den første måten er å starte med en bulk materiale og deretter dele det opp i mindre biter ved hjelp av mekanisk, kjemisk eller annen form for energi (top-down). En motsatt tilnærming er å syntetisere materiale fra atom eller molekylær arter via kjemiske reaksjoner, noe som åpner for forløperen partiklene til å vokse i størrelse (bottom-up). Begge tilnærminger kan gjøres enten i gass, væske, superkritisk væske, solid stater, eller i vakuum. De fleste produsenter er interessert i muligheten til å kontrollere: a) partikkelstørrelse b) partikkel form c) størrelsesfordeling d) partikkelsammensetning e) Graden av partikkel tettbebyggelse.
| Figur 1 To grunnleggende tilnærminger til nanomaterialer fabrikasjon. Fra venstre til høyre) og bottom-up (fra høyre mot venstre). |
Hvilke prosesser brukes til Bottom-up Manufacturing? Metoder for å produsere nanopartikler fra atomer er kjemiske prosesser basert på transformasjoner i løsningen for eksempel sol-gel behandling, kjemisk damp nedfall (CVD), plasma eller flamme sprøyting syntese, laser pyrolyse, atom eller molekylær kondens. Disse kjemiske prosesser er avhengige av tilgjengeligheten av passende "metall-organiske" molekyler som forløpere. Sol-gel behandling skiller seg fra andre kjemiske prosesser på grunn av sin relativt lave behandling temperatur. Dette gjør sol-gel prosessen kostnadseffektiv og allsidig. I sprøyting prosesser strømmen av reaktanter (gass, væske i form av aerosoler eller blandinger av begge) er innført til høy-energi flamme produsert for eksempel av plasma sprøyting utstyr eller karbondioksid laser. Reaktanter brytes og partikler dannes i en flamme av homogen nukleasjon og vekst. Rask nedkjøling resulterer i dannelsen av nanoskala partikler. Disse er kjemiske prosesser til materialer basert på transformasjoner i løsning som sol-gel behandling, hydro eller solvo termisk synteser, Metal Organic Nedbryting (MOD), eller i gassfase kjemisk damp nedfall (CVD). De fleste kjemiske ruter stole på tilgjengelighet av passende "metall-organiske" molekyler som forløpere. Blant de ulike forløperne metalloksider, nemlig metall b-diketonates og metall carboxylates, metall alkoxides er den mest allsidige. De er tilgjengelige for nesten alle elementer og kostnadseffektiv syntese av billig råstoff har blitt utviklet for noen. Slik styrer Konstruksjon og Vekst av nanopartikler To generelle måter er tilgjengelig for å kontrollere dannelse og vekst av nanopartikler. Heter arrestert nedbør og avhenger enten på uttømming av en av reaktanter eller om innføringen av det kjemiske som ville blokkere reaksjonen. En annen metode er avhengig av en fysisk begrensning av volumet tilgjengelig for vekst av de enkelte nanopartikler ved hjelp av maler. Sol-gel Process Sol gel teknikken er en veletablert industriell prosess for generering av kolloidale nanopartikler fra flytende fase, som har blitt videreutviklet i de siste årene for produksjon av avanserte nanomaterialer og belegg. Sol-gel-prosesser er godt tilrettelagt for oksid nanopartikler og kompositter nanopowders syntese. De viktigste fordelene med sol-gel teknikker for utarbeidelse av materialer er lav temperatur for prosessering, allsidighet, og fleksibel reologi gir enkel å forme og bygge. De tilbyr unike muligheter for tilgang til organisk-uorganiske materialer. De mest brukte forløpere av oksider er alkoxides, på grunn av deres kommersielle tilgjengelighet og til den høye ansvar M-ELLER bindingen gir lettvinte skreddersy in situ under behandlingen.
| Figur 2. System modell for nanocomposites produsert av sol-gel. |
Aerosol-prosesser Aerosol-baserte prosesser er en vanlig metode for industriell produksjon av nanopartikler. Aerosoler kan defineres som faste eller flytende partikler i en gass fase, hvor partiklene kan variere fra molekyler opp til 100 mikrometer i størrelse. Aerosoler ble brukt i industriell produksjon lenge før de grunnleggende vitenskap og engineering av aerosoler ble forstått. For eksempel er carbon black partikler som brukes i pigmenter og forsterket bildekk produsert av hydrokarbon forbrenning; Titania pigment for bruk i maling og plast er laget ved oksidasjon av titan tetraklorid; fumed silica og Titania dannet fra respektive tetrachlorides med flamme pyrolyse, optiske fibre er produsert av lignende prosess. Tradisjonelt er sprøyting brukes enten til å tørke våte materialer eller å sette belegg. Sprøyting av prekursorer på en oppvarmet underlag eller i den varme atmosfæren resultatene i forløperen pyrolyse og dannelsen av partikler. For eksempel ble en romtemperatur elektro-sprøyting prosess utviklet ved universitetet i Oxford å produsere nanopartikler av sammensatte halvledere og enkelte metaller. Spesielt ble det CdS nanopartikler produseres ved å generere aerosol mikro-dråper som inneholder Cd salt i atmosfæren inneholder hydrogensulfid. Chemical Vapour Nedfall (CVD) CVD består i å aktivere en kjemisk reaksjon mellom underlaget overflate og en gassformig forløper. Aktivering kan oppnås enten med temperatur (termisk CVD) eller med en plasma (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapour Nedfall). Den største fordelen er nondirective aspekt av denne teknologien. Plasma gjør det mulig å redusere betydelig prosesstemperaturen forhold til termisk CVD prosessen. CVD er mye brukt til å produsere karbon nanorør. Atomic eller Molecular Kondens Denne metoden brukes hovedsakelig for metall som inneholder nanopartikler. En bulk materialet varmes opp i vakuum for å produsere en strøm av fordampet og atomisert saken, som er rettet mot et kammer som inneholder enten inert eller reaktiv gass atmosfære. Rask nedkjøling av metall atomene på grunn av deres kollisjon med gassmolekyler resultatene i kondensering og dannelse av nanopartikler. Hvis en reaktiv gass som oksygen er brukt så metalloksid nanopartikler er produsert. Bruk av gass-fase Kondens å produsere Metal Nanopowders Teorien om gass-fase kondens for produksjon av metall nanopowders er velkjent, etter å ha vært først rapportert i 1930. Gass-fase kondens bruker et vakuum kammer som består av et varmeelement, til metall gjøres om til nano-pulver, pulver oppsamlingsutstyr og vakuum maskinvare.
| Figur 3. Prinsippet inert gass kondens materiale. |
Hvordan Gass-fase Kondens Process Works Prosessen benytter en gass, som vanligvis er inert, ved trykk høy nok til å fremme partikkel formasjon, men lavt nok til å tillate produksjon av sfæriske partikler. Metal er introdusert på et oppvarmet element og er raskt smeltet. Metallet blir raskt tatt til temperaturer langt over smeltepunktet, men mindre enn kokepunktet, slik at en tilstrekkelig damptrykket er oppnådd. Gass er fortløpende introdusert inn i kammeret og fjernet av pumpene, slik at gasstrømmen beveger fordampet metall vekk fra den varme element. Som gassen kjøler metall damp, nanometer-størrelse partikler form. Disse partiklene er flytende siden de er fortsatt for varmt til å være solid. Den flytende partikler kolliderer og vokser sammen i et kontrollert miljø slik at partiklene vokser til spesifikasjonen, gjenværende sfærisk og med glatte overflater. Som flytende partikler er ytterligere avkjølt under kontroll, blir de solide og vokser ikke lenger. På dette punktet nanopartikler er svært reaktive, slik at de er belagt med et materiale som hindrer videre interaksjon med andre partikler (agglomeration) eller med andre materialer. Superkritisk Fluid Synthesis Metoder ved hjelp superkritisk væske er også kraftig for syntesen av nanopartikler. For disse metodene, er egenskapene for en superkritisk fluid (væske tvunget inn i superkritisk tilstand ved å regulere sin temperatur og trykk) som brukes til å danne nanopartikler av en rask utbygging av en superkritisk løsning. Superkritisk fluid Metoden er utviklet i pilotskala i en kontinuerlig prosess. Spinning gjøre Thin polymer fiber En ny teknologi for fremstilling av tynne polymer fiber er basert på prinsippet om roterende fortynnede polymer løsninger i et høyspent elektrisk felt. Electro Spinning er en prosess der en suspendert dråpe polymer er ladet med tusenvis av volt. På et karakteristisk spenning dråpen danner en Taylor kjegle, og en fin stråle av polymer utgivelser fra overflaten i respons til strekk kreftene genereres av samspill av et anvendt elektrisk felt, med den elektriske ladningen bæres av jet. Dette gir en bunt av polymer fiber. Jet kan rettes til en jordet overflate og samlet som et sammenhengende nett av fibre varierer i størrelse fra noen få mikrometer er til mindre enn 100 nm. Bruke maler Skjema Nanopartikler Ethvert materiale som inneholder vanlig nanostørrelse porer eller hulrom kan brukes som en mal å danne nanopartikler. Eksempler på slike maler inkludere porøse alumina, zeolitter, di-blokk co-polymerer, dendrimers, proteiner og andre molekyler. Malen trenger ikke å være et 3D-objekt. Kunstig maler kan opprettes på et plant underlag eller en gass-væske grensesnitt ved å danne selv montert monolayers. Self-Montering av nanopartikler Nanopartikler av et bredt spekter av materialer - inkludert en rekke organiske og biologiske forbindelser, men også uorganiske oksider, metaller og halvledere - kan behandles ved hjelp av kjemiske selv-montering teknikker. Disse teknikkene utnytte selektiv tilknytning av molekyler til spesifikke overflater, biomolekylære anerkjennelse og selvtillit bestilling prinsipper (f.eks fortrinnsrett dokking av DNA-tråder med komplementære basepar) samt velutviklede kjemi for feste molekyler på klynger og underlag (f.eks tiol (- SH) end grupper) og andre teknikker som revers miceller, sonochemical, og fotokjemisk syntese å realisere 1-D, 2-D og 3-D selv-montert nanostrukturer. Den molekylære byggeklosser fungere som deler av et puslespill som slutter seg sammen i en perfekt orden uten en åpenbar drivkraft til stede. Molecular Nanoteknologi Tilbyr visjoner for fremtiden Langsiktig og visjonær nanoteknologisk forestillinger, men går langt utover disse første tilnærminger. Dette gjelder særlig utvikling av biomimetic materialer med evne til selvorganisering, selvhelbredende og selvtillit replikering ved hjelp av molekylær nanoteknologi. Ett mål her er kombinasjonen av syntetiske og biologiske materialer, arkitekturer og systemer, henholdsvis imitasjon av biologiske prosesser for teknologiske anvendelser. Dette feltet av nanobiotechnology er i dag fortsatt i delstaten grunnleggende forskning, men regnes som en av de mest lovende forskningsfelt for fremtiden. Merk: En komplett liste over referanser kan finnes ved å henvise til den opprinnelige teksten. |