Hugtakið atómbygging í nanóefnum

Nanóefni eru efni sem eru mjög lítil að stærð, yfirleitt á nanómetrakvarða (1 nm = 10-9 metrar ). Á þessum kvarða geta eiginleikar efna breyst verulega samanborið við eiginleika efna á stærri skala. Skilningur á atómbyggingu er mjög mikilvægur í rannsóknum á nanóefnum því hegðun, eiginleikar og notkun nanóefna eru mjög háð atómsamskiptum þeirra og innri uppbyggingu. Þessi grein fjallar um hugtakið atómbyggingu í samhengi við nanóefni, hvernig atómbygging hefur áhrif á eiginleika nanóefna og ýmsa notkun nanóefna.

Atómbygging og nanóefni

Atómbygging vísar til uppröðunar atóma í efni. Í samhengi nanóefna er atómbygging sérstaklega mikilvæg vegna þess að atóm eru nálægt hvor annarri og víxlverkun þeirra hefur áhrif á heildareiginleika efnisins.

Grunnhugtök um atómbyggingu

  1. Atóm og sameindirAtóm er grunneining efnis sem samanstendur af kjarna (róteindum og nifteindum) og rafeindum sem umlykja kjarnann. Sameind er samsetning tveggja eða fleiri atóma sem eru efnatengd.
  2. Orbital og gildisrafeindirRafeindir í atómum eru á mismunandi svigrúmum eftir orkustigi þeirra. Gildisrafeindir, sem eru staðsettar í ysta hvolfinu, gegna mikilvægu hlutverki í myndun efnatengja og eiginleikum efna.
  3. EfnatengiEfnatengi eru kraftarnir sem halda atómum saman í sameindum eða kristöllum. Tegund efnatengisins (samgild, jónísk, málm- eða van der Waals-tengis) hefur mikil áhrif á eðlis- og efnafræðilega eiginleika efnis.

Atómbygging í nanóefnum

Á nanóskala er hægt að raða atómbyggingu efna þannig að þau framleiði einstaka eiginleika. Til dæmis geta málmnanóagnir haft kjarna-skeljarbyggingu, þar sem kjarninn og skelin eru samsett úr mismunandi frumefnum eða hafa mismunandi kristalbyggingu.

  1. NanóagnirNanóagnir eru agnir sem eru á stærð frá 1 til 100 nm. Við þessa stærð er hlutfallið milli yfirborðs og rúmmáls mjög hátt, þannig að atómin á yfirborði nanóagnarinnar gegna mikilvægu hlutverki í að ákvarða eiginleika efnisins.
  2. Nanórör og nanóvírarNanórör (t.d. kolefnisnanórör) og nanóvírar eru byggingar sem hafa nanóstærðir í tvær áttir og eru lengri. Atómbygging nanóröra og nanóvíra ákvarðar vélræna, rafmagns- og varmaeiginleika þeirra.
  3. SkammtapunktarSkammtapunktar eru hálfleiðarananókristallar með einstaka ljósfræðilega og rafræna eiginleika. Stærð og atómbygging skammtapunkta er hægt að stjórna til að framleiða mismunandi liti geislunar.

Áhrif atómbyggingar á eiginleika nanóefna

Atómbygging nanóefna hefur áhrif á fjölbreytt úrval eðlisfræðilegra, efnafræðilegra og vélrænna eiginleika. Breytingar á atómbyggingu geta haft áhrif sem eru ósýnileg á stórum skala.

Eðlisfræðilegir eiginleikar

  1. OpticsNanóefni sýna oft einstaka ljósfræðilega eiginleika vegna skammtaáhrifa og yfirborðsplasmónómunar. Til dæmis geta gullnanóagnir framleitt mismunandi liti eftir stærð og lögun.
  2. RafmagnAtómbygging nanóefna getur haft áhrif á rafleiðni. Til dæmis geta kolefnisnanórör hegðað sér eins og málmar eða hálfleiðarar eftir atómbyggingu þeirra og stefnu kristalsins.
  3. varmaVarmaleiðni nanóefna er einnig mjög háð frumeindabyggingu þeirra. Nanóvírar og nanórör hafa oft mjög háa eða mjög lága varmaleiðni eftir því hvaða frumeindabyggingu þeir hafa og tengsl milli frumeinda.

Efnafræðilegir eiginleikar

  1. HvarfgirniNanóefni eru yfirleitt hvarfgjarnari en efni á stórum skala vegna mikils hlutfalls milli yfirborðs og rúmmáls. Atóm á yfirborði nanóefna hafa auðveldari samskipti við aðrar sameindir.
  2. KatalýsaAtómbygging yfirborðs hvata-nanóagna getur haft áhrif á hvatavirkni þeirra. Til dæmis geta platínu-nanóagnir af ákveðinni stærð aukið skilvirkni ákveðinna efnahvarfa.

Vélrænir eiginleikar

  1. Styrkur og ofbeldiAtómbygging nanóefna getur valdið einstökum vélrænum eiginleikum. Til dæmis hafa kolefnisnanórör afar mikinn togstyrk vegna sterkra samgildra tengja milli kolefnisatóma.
  2. TeygjanleikiNanóefni sýna oft meiri teygjanleika samanborið við efni á stórum skala vegna getu atóma til að endurskipuleggja sig á nanóskala.

Notkun nanóefna byggð á atómbyggingu

Skilningur á atómbyggingu nanóefna hefur opnað fyrir fjölbreytt úrval nýstárlegra notkunarmöguleika í tækni, læknisfræði, orku og umhverfismálum.

Teknologi

  1. ElectronicsNanóefni eins og grafen og kolefnisnanórör eru notuð við framleiðslu á smárum, skynjurum og öðrum rafeindatækjum vegna framúrskarandi rafmagns- og varmaeiginleika þeirra.
  2. Samsett efniNanóefni eru notuð til að styrkja samsett efni og framleiða þannig léttari og sterkari efni til notkunar í bíla- og geimferðaiðnaði.

Læknisfræði

  1. LyfjaafhendingNanóagnir eru notaðar til markvissrar lyfjagjafar, sem gerir kleift að dreifa lyfjum beint til sjúkra frumna með færri aukaverkunum.
  2. Myndgreining og greiningarSkammtapunktar eru notaðir í líffræðilegri myndgreiningu til að fá skýrari og ítarlegri myndir af innri uppbyggingu frumna og vefja.

Orka

  1. OrkugeymslaNanóefni eru notuð í rafhlöðum og ofurþéttum til að auka orkugeymslugetu og flýta fyrir hleðslutíma.
  2. OrkubreytingNanóefni eins og skammtapunktar eru notaðir í sólarsellum til að auka skilvirkni þess að umbreyta sólarorku í rafmagn.

Umhverfi

  1. VatnsmeðferðNanóefni eru notuð í síunartækni til að fjarlægja mengunarefni úr drykkjarvatni á skilvirkari hátt.
  2. MengunarvöktunSkynjarar úr nanóefnum eru notaðir til að greina loft- og vatnsmengun með mikilli næmni.

Niðurstaða

Uppbygging frumeinda er lykillinn að því að skilja og hámarka eiginleika nanóefna. Samspil og uppröðun frumeinda á nanómetrakvarða getur skapað einstaka eðlisfræðilega, efnafræðilega og vélræna eiginleika sem finnast ekki í efnum á stórum skala. Djúpur skilningur á frumeindabyggingu nanóefna hefur gert kleift að nýstárlegar notkunarmöguleikar á fjölbreyttum sviðum, allt frá tækni og læknisfræði til orku og umhverfis. Þar sem rannsóknir í nanótækni halda áfram að þróast mun skilningur okkar á frumeindabyggingu nanóefna og notkun þeirra dýpka og ryðja brautina fyrir enn meiri framfarir í framtíðinni.

Prentvæn, PDF og tölvupóstur