Наноматериалууд нь маш жижиг хэмжээтэй, ерөнхийдөө нанометрийн масштабтай (1 нм = 10) материалууд юм.-9 метр). Энэ хэмжээнд материалын шинж чанар нь илүү том хэмжээний материалын шинж чанартай харьцуулахад мэдэгдэхүйц өөрчлөгдөж болно. Атомын бүтцийг ойлгох нь наноматериалын судалгаанд маш чухал ач холбогдолтой, учир нь наноматериалын зан төлөв, шинж чанар, хэрэглээ нь тэдгээрийн атомын харилцан үйлчлэл болон дотоод бүтцээс ихээхэн хамаардаг. Энэ нийтлэлд наноматериалын хүрээнд атомын бүтцийн тухай ойлголт, атомын бүтэц нь наноматериалын шинж чанарт хэрхэн нөлөөлдөг, наноматериалын янз бүрийн хэрэглээний талаар авч үзэх болно.
Атомын бүтэц ба наноматериалууд
Атомын бүтэц гэдэг нь материал дахь атомуудын зохион байгуулалтыг хэлнэ. Наноматериалын хувьд атомын бүтэц нь онцгой чухал ач холбогдолтой, учир нь атомууд хоорондоо нягт зайтай байрладаг бөгөөд тэдгээрийн харилцан үйлчлэл нь материалын ерөнхий шинж чанарт нөлөөлдөг.
Атомын бүтцийн үндсэн ойлголтууд
- Атом ба молекулуудАтом гэдэг нь цөм (протон ба нейтрон) болон цөмийг тойрсон электронуудаас бүрдэх бодисын үндсэн нэгж юм. Молекул гэдэг нь химийн холбоогоор холбогдсон хоёр ба түүнээс дээш атомын нэгдэл юм.
- Орбитал ба Валентийн ЭлектронуудАтом дахь электронууд нь энергийн түвшингээсээ хамааран өөр өөр орбиталуудыг эзэлдэг. Хамгийн гаднах бүрхүүлд байрладаг валентийн электронууд нь химийн холбоо үүсэх болон материалын шинж чанарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
- Химийн бондуудХимийн холбоо гэдэг нь молекул эсвэл талст дахь атомуудыг хооронд нь холбодог хүч юм. Химийн холбооны төрөл (ковалент, ион, металл эсвэл ван дер Ваальс) нь материалын физик болон химийн шинж чанарт ихээхэн нөлөөлдөг.
Наноматериалын атомын бүтэц
Нано хэмжээст материалын атомын бүтцийг өвөрмөц шинж чанарыг бий болгох байдлаар байрлуулж болно. Жишээлбэл, металл нано хэсгүүд нь цөм-бүрхүүл бүтэцтэй байж болох бөгөөд цөм ба бүрхүүл нь өөр өөр элементүүдээс бүрддэг эсвэл өөр өөр талст бүтэцтэй байдаг.
- Нано бөөмсНано хэсгүүд нь 1-100 нм хэмжээтэй хэсгүүд юм. Энэ хэмжээтэй үед гадаргуугийн эзэлхүүнтэй харьцуулсан харьцаа маш өндөр байдаг тул нано хэсгүүдийн гадаргуу дээрх атомууд нь материалын шинж чанарыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
- Нано хоолой ба нано утаснуудНано хоолой (жишээ нь, нүүрстөрөгчийн нано хоолой) болон нано утаснууд нь хоёр чиглэлд нано хэмжээстэй, илүү урттай бүтэц юм. Нано хоолой болон нано утасны атомын бүтэц нь тэдгээрийн механик, цахилгаан болон дулааны шинж чанарыг тодорхойлдог.
- Квантын цэгүүдКвант цэгүүд нь өвөрмөц оптик болон электрон шинж чанартай хагас дамжуулагч нанокристалууд юм. Квант цэгүүдийн хэмжээ болон атомын бүтцийг хянаж, өөр өөр ялгаралтын өнгийг гаргаж авах боломжтой.
Наноматериалын шинж чанарт атомын бүтцийн нөлөө
Наноматериалын атомын бүтэц нь физик, химийн болон механик шинж чанаруудын өргөн хүрээнд нөлөөлдөг. Атомын бүтцийн өөрчлөлт нь макро хэмжээнд үл үзэгдэх нөлөөллийг бий болгож чаддаг.
Физик шинж чанарууд
- оптикНаноматериалууд нь квант эффект болон гадаргуугийн плазмон резонансын улмаас өвөрмөц оптик шинж чанарыг харуулдаг. Жишээлбэл, алтан нано хэсгүүд нь хэмжээ, хэлбэрээсээ хамааран өөр өөр өнгө гаргаж чаддаг.
- ЦахилгаанНаноматериалын атомын бүтэц нь цахилгаан дамжуулах чанарт нөлөөлж болно. Жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь атомын бүтэц болон талстын чиглэлээс хамааран металл эсвэл хагас дамжуулагч шиг ажиллаж чаддаг.
- дулааныНаноматериалын дулаан дамжуулалт нь тэдгээрийн атомын бүтцээс ихээхэн хамаардаг. Нано утас болон нано хоолой нь атомын бүтэц болон атом хоорондын холбооноос хамааран маш өндөр эсвэл маш бага дулаан дамжуулалттай байдаг.
Химийн шинж чанарууд
- Урвалд орох чадварНаноматериалууд нь гадаргуугийн эзэлхүүнтэй харьцуулсан харьцаа өндөр тул макро хэмжээний материалаас илүү урвалд орох хандлагатай байдаг. Наноматериалын гадаргуу дээрх атомууд бусад молекулуудтай илүү амархан харилцан үйлчилдэг.
- КатализКатализаторын нано хэсгүүдийн гадаргуугийн атомын бүтэц нь тэдгээрийн каталитик идэвхжилд нөлөөлж болно. Жишээлбэл, тодорхой хэмжээтэй цагаан алтны нано хэсгүүд нь тодорхой химийн урвалын үр ашгийг нэмэгдүүлж чаддаг.
Механик шинж чанарууд
- Хүч чадал ба хүчирхийлэлНаноматериалын атомын бүтэц нь ер бусын механик шинж чанарыг бий болгож чаддаг. Жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь нүүрстөрөгчийн атомуудын хоорондох хүчтэй ковалент холбооны улмаас маш өндөр суналтын бат бэхтэй байдаг.
- ЭластиситасНаноматериалууд нь атомууд нано хэмжээст дахин тохируулах чадвараас шалтгаалан макро хэмжээст материалуудтай харьцуулахад илүү өндөр уян хатан чанарыг харуулдаг.
Атомын бүтэц дээр суурилсан наноматериалын хэрэглээ
Наноматериалын атомын бүтцийг ойлгох нь технологи, анагаах ухаан, эрчим хүч, хүрээлэн буй орчинд өргөн хүрээний инновацийн хэрэглээг нээж өгсөн.
технологи
- электроникийнГрафен болон нүүрстөрөгчийн нано хоолой зэрэг наноматериалуудыг цахилгаан болон дулааны маш сайн шинж чанартай тул транзистор, мэдрэгч болон бусад электрон төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд ашигладаг.
- Нийлмэл материалуудНаноматериалуудыг нийлмэл материалыг бэхжүүлэхэд ашигладаг бөгөөд автомашин болон сансар судлалын салбарт хэрэглэхэд илүү хөнгөн, илүү бат бөх материал үйлдвэрлэдэг.
Анагаах ухаан
- Эмийн хүргэлтНано хэсгүүдийг эмийг зорилтот түвшинд хүргэхэд ашигладаг бөгөөд энэ нь гаж нөлөөг бууруулж, өвчтэй эсүүдэд эмийг шууд хүргэх боломжийг олгодог.
- Дүрслэл ба оношилгооКвант цэгүүдийг биологийн дүрслэлд эс болон эд эсийн дотоод бүтцийн илүү тодорхой, илүү нарийвчилсан зургийг гаргахад ашигладаг.
Эрчим хүч
- Эрчим хүчний хадгалалтНаноматериалуудыг батерей болон суперконденсаторт эрчим хүч хадгалах багтаамжийг нэмэгдүүлэх, цэнэглэх хугацааг хурдасгахын тулд ашигладаг.
- Эрчим хүчний хувиргалтНарны энергийг цахилгаан болгон хувиргах үр ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд нарны зайд квант цэгүүд гэх мэт наноматериалуудыг ашигладаг.
Лингкунган
- Усны цэвэрлэгээНаноматериалуудыг ундны уснаас бохирдлыг илүү үр дүнтэй зайлуулахын тулд шүүлтүүрийн технологид ашигладаг.
- Бохирдлын хяналтНаноматериал дээр суурилсан мэдрэгчийг агаар, усны бохирдуулагчийг өндөр мэдрэмжтэйгээр илрүүлэхэд ашигладаг.
Дүгнэлт
Атомын бүтэц нь наноматериалын шинж чанарыг ойлгох, оновчтой болгоход гол түлхүүр юм. Нанометрийн хэмжээс дэх атомуудын харилцан үйлчлэл ба зохион байгуулалт нь макро хэмжээст материалд байдаггүй өвөрмөц физик, химийн болон механик шинж чанарыг бий болгож чаддаг. Наноматериалын атомын бүтцийг гүнзгий ойлгосноор технологи, анагаах ухаанаас эхлээд эрчим хүч, хүрээлэн буй орчин хүртэл өргөн хүрээний салбарт инновацийн хэрэглээг бий болгосон. Нанотехнологийн судалгаа үргэлжлэн хөгжихийн хэрээр наноматериалын атомын бүтэц, тэдгээрийн хэрэглээний талаарх бидний ойлголт гүнзгийрч, ирээдүйд бүр ч илүү их дэвшил гаргах замыг нээх болно.
