Nanokomposiitide arendus: põhjalik ülemaailmne ülevaade

Nanokomposiidid esindavad materjaliteaduse ja inseneriteaduse põnevat piiriala. Need täiustatud materjalid, mis on loodud kahe või enama komponendi kombineerimisel, kus vähemalt ühel komponendil on nanomeetri skaalas (1–100 nm) mõõtmed, omavad oluliselt erinevaid ja sageli paremaid omadusi kui nende üksikud koostisosad. See ülemaailmne ülevaade uurib nanokomposiitide arengut, rakendusi, väljakutseid ja tulevikutrende erinevates tööstusharudes ja uurimisvaldkondades.

Mis on nanokomposiidid?

Nanokomposiit on mitmefaasiline materjal, mille ühel faasil on vähemalt üks mõõde nanomeetri vahemikus. Need materjalid on loodud selleks, et ära kasutada nanoskaalal tekkivaid unikaalseid omadusi, nagu suurenenud pindala, kvantefektid ja uued koostoimed koostismaterjalide vahel. Nanoskaala komponentide kombineerimine maatriksiga annab tulemuseks materjalid, millel on paremad mehaanilised, termilised, elektrilised, optilised ja barjääriomadused.

Nanokomposiitide tüübid

• Polümeernanokomposiidid: Need koosnevad polümeermaatriksist, mis on tugevdatud nanoskaala täiteainetega, nagu nanoosakesed, nanotorud või kihilised silikaadid. Näideteks on polümeer/savi nanokomposiidid, polümeer/süsiniknanotoru nanokomposiidid ja polümeer/grafeen nanokomposiidid.
• Keraamilised nanokomposiidid: Need kombineerivad keraamilist maatriksit nanoskaala lisanditega, nagu nanoosakesed või nanotorud, et suurendada sitkust, tugevust ja kulumiskindlust. Näideteks on ränikarbiidi/süsiniknanotoru komposiidid ja alumiiniumoksiidi/tsirkooniumoksiidi nanokomposiidid.
• Metallnanokomposiidid: Nendes on metallmaatriks, mis on tugevdatud nanoskaala osakeste või kiududega, et parandada tugevust, kõvadust ja juhtivust. Näideteks on vase/süsiniknanotoru komposiidid ja alumiiniumi/alumiiniumoksiidi nanokomposiidid.

Nanokomposiitide arengu ajalugu

Nanokomposiitide kontseptsioon ei ole täiesti uus. Muistsed käsitöölised kasutasid nanoosakesi materjalides nagu Damaskuse teras ja vitraažklaas, ilma et oleksid täielikult mõistnud nanoskaala nähtusi. Kuid nanokomposiitide uurimise kaasaegne ajastu algas 20. sajandi lõpus koos oluliste edusammudega nanotehnoloogias ja materjaliteaduses. Peamised verstapostid on järgmised:

• 1950.–1980. aastad: Varased uuringud keskendusid osakestega täidetud komposiitidele ja kolloidsete töötlemistehnikate arendamisele.
• 1990. aastad: Toyota teadlaste poolt polümeer/savi nanokomposiitide arendamine tähistas läbimurret, demonstreerides mehaaniliste ja barjääriomaduste olulist paranemist.
• 2000. aastad kuni tänapäev: Kiire kasv valdkonnas, mida toetasid edusammud nanovalmistamise tehnikates, iseloomustusmeetodites ja arvutuslikus modelleerimises. Uuringud laienesid, hõlmates laiemat valikut nanomaterjale ja rakendusi.

Nanokomposiitide valmistamismeetodid

Nanokomposiitide valmistamine hõlmab erinevaid tehnikaid, millest igaüks sobib konkreetsete materjalikombinatsioonide ja soovitud omaduste saavutamiseks. Peamised meetodid on:

Lahuse segamine

See meetod hõlmab nanoosakeste dispergeerimist lahustis ja seejärel nende segamist maatriksmaterjaliga lahuse vormis. Seejärel lahusti aurustatakse, jättes maha nanokomposiitmaterjali. Lahuse segamine sobib eriti hästi polümeernanokomposiitide jaoks.

Näide: Tavaline tehnika on süsiniknanotorude dispergeerimine lahustis nagu dimetüülformamiid (DMF) ultraheli abil. See dispersioon segatakse seejärel polümeerlahusega, näiteks polüstüreeniga, mis on samuti DMF-is lahustatud. Pärast põhjalikku segamist aurustatakse DMF, jättes maha polüstüreeni/süsiniknanotoru nanokomposiitkile.

Sulatisse segamine

Sulatisse segamine hõlmab nanoosakeste otsest lisamist sulatatud maatriksmaterjali, kasutades suurt nihkejõudu. Seda meetodit kasutatakse laialdaselt polümeernanokomposiitide puhul ja selle eeliseks on lahustivaba olemine.

Näide: Polüpropüleeni (PP) graanulid ja orgaaniliselt modifitseeritud savi nanoosakesed sisestatakse topeltkruviga ekstruuderisse. Ekstruuderis tekkivad suured nihkejõud dispergeerivad savi nanoosakesed kogu sulatatud PP ulatuses. Saadud ekstrudaat jahutatakse ja granuleeritakse, moodustades PP/savi nanokomposiidi.

In-situ polümerisatsioon

See tehnika hõlmab monomeeri polümeriseerimist nanoosakeste juuresolekul, mis viib nanokomposiitmaterjali moodustumiseni. Nanoosakesed võivad toimida polümeeri kasvu tuumastumiskohtadena, mille tulemuseks on hästi dispergeerunud nanokomposiit.

Näide: Savi nanoosakesed dispergeeritakse lahuses, mis sisaldab monomeeri nagu metüülmetakrülaat (MMA) ja initsiaatorit. Seejärel polümeriseeritakse MMA in-situ, mille tulemuseks on polümetüülmetakrülaadi (PMMA)/savi nanokomposiit. Savi nanoosakesed on ühtlaselt dispergeerunud kogu PMMA maatriksis.

Sool-geel meetod

Sool-geel meetod on mitmekülgne tehnika keraamiliste ja metallnanokomposiitide valmistamiseks. See hõlmab sooli (kolloidsete osakeste stabiilne dispersioon) moodustumist, millele järgneb geelistumine, et moodustada tahke võrgustik. Nanoosakesi saab lisada sooli enne geelistumist.

Näide: Tetraetüülortosilikaat (TEOS) hüdrolüüsitakse ja kondenseeritakse, et moodustada ränidioksiidi sool. Seejärel lisatakse soolile tsirkooniumoksiidi nanoosakesi ja dispergeeritakse ultraheli abil. Seejärel lastakse soolil geelistuda, millele järgneb kuivatamine ja kaltsineerimine, et toota ränidioksiidi/tsirkooniumoksiidi nanokomposiit.

Kiht-kihilt kokkupanek

See tehnika hõlmab vastupidise laenguga materjalide järjestikust sadestamist substraadile, luues mitmekihilise nanokomposiitkile. See meetod võimaldab täpset kontrolli nanokomposiidi koostise ja struktuuri üle.

Näide: Substraat kastetakse vaheldumisi positiivselt laetud polümeeri sisaldavasse lahusesse ja negatiivselt laetud nanoosakesi sisaldavasse lahusesse. Iga kastmisetapp sadestab vastava materjali kihi, mille tulemuseks on mitmekihiline nanokomposiitkile, milles vahelduvad polümeeri ja nanoosakeste kihid.

Nanokomposiitidega täiustatud peamised omadused

Nanoskaala komponentide lisamine maatriksmaterjali võib viia mitmete omaduste olulise paranemiseni. Need täiustused on olulised paljude rakenduste jaoks.

Mehaanilised omadused

Nanokomposiidid omavad sageli paremaid mehaanilisi omadusi võrreldes nende üksikute koostisosadega. See hõlmab suurenenud tugevust, jäikust, sitkust ja kulumiskindlust. Nanoskaala tugevdus võimaldab tõhusamat pinge ülekannet ja pragude sildamist, mis viib parema mehaanilise jõudluseni.

Näide: Polümeernanokomposiidid, mis on tugevdatud süsiniknanotorudega, võivad näidata oluliselt suuremat tõmbetugevust ja Youngi moodulit võrreldes puhta polümeeriga. Nanotorud toimivad tugevdusena, vältides pragude levikut ja parandades materjali üldist mehaanilist terviklikkust.

Termilised omadused

Nanokomposiidid võivad näidata paremat termilist stabiilsust, kuumakindlust ja soojusjuhtivust. Nanoskaala täiteained võivad piirata polümeeriahelate liikuvust, mis viib kõrgemate termilise lagunemise temperatuurideni. Mõnel juhul saab nanokomposiite ka kujundada nii, et neil oleks parem soojusjuhtivus, mis on kasulik soojuse hajutamise rakendustes.

Näide: Polümeernanokomposiidid, mis sisaldavad grafeeni nanolehti, võivad näidata oluliselt paremat soojusjuhtivust võrreldes puhta polümeeriga. Grafeeni kõrge soojusjuhtivus võimaldab tõhusat soojuse hajutamist, muutes nanokomposiidi sobivaks termoregulatsiooni rakendustes.

Elektrilised omadused

Nanokomposiite saab kujundada nii, et neil oleks lai valik elektrilisi omadusi, alates kõrgest juhtivusest kuni kõrge isolatsioonivõimeni. Nanokomposiidi elektrilised omadused sõltuvad kasutatava nanoskaala täiteaine tüübist ja selle kontsentratsioonist maatriksis. Juhtivaid täiteaineid nagu süsiniknanotorud ja grafeen saab kasutada juhtivate nanokomposiitide loomiseks, samas kui isoleerivaid täiteaineid nagu ränidioksiid saab kasutada isoleerivate nanokomposiitide loomiseks.

Näide: Polümeernanokomposiidid, mis sisaldavad süsiniknanotorusid, võivad omada kõrget elektrijuhtivust, muutes need sobivaks rakendusteks juhtivates katetes, andurites ja elektroonikaseadmetes. Nanotorud moodustavad polümeermaatriksis juhtiva võrgustiku, mis võimaldab tõhusat elektronide transporti.

Barjääriomadused

Nanokomposiidid võivad näidata paremaid barjääriomadusi gaaside, vedelike ja lahustite vastu. Nanoskaala täiteained võivad luua läbivatele molekulidele keeruka tee, vähendades difusioonikiirust ja parandades barjääri jõudlust. See on eriti oluline pakendirakendustes, kus on vaja kaitsta sisu keskkonna eest.

Näide: Polümeernanokomposiidid, mis sisaldavad savi nanoosakesi, võivad näidata oluliselt paremaid barjääriomadusi hapniku ja veeauru vastu võrreldes puhta polümeeriga. Savi nanoosakesed moodustavad kihilise struktuuri, mis loob läbivatele molekulidele keeruka tee, vähendades difusioonikiirust ja parandades barjääri jõudlust.

Optilised omadused

Nanokomposiidid võivad omada unikaalseid optilisi omadusi, nagu parem läbipaistvus, murdumisnäitaja kontroll ja häälestatav plasmonresonants. Nanokomposiidi optilised omadused sõltuvad nanoskaala täiteainete suurusest, kujust ja kontsentratsioonist, samuti maatriksmaterjali murdumisnäitajast. See on oluline rakendustes optilistes katetes, andurites ja ekraanides.

Näide: Polümeernanokomposiidid, mis sisaldavad hõbeda nanoosakesi, võivad näidata häälestatavat plasmonresonantsi, mida saab kasutada pinnalt võimendatud Ramani spektroskoopia (SERS) ja plasmonandurite rakendustes. Plasmonresonantsi sagedus sõltub hõbeda nanoosakeste suurusest, kujust ja kontsentratsioonist.

Nanokomposiitide rakendused tööstusharudes

Nanokomposiidid leiavad rakendust paljudes tööstusharudes, alates lennundusest ja autotööstusest kuni elektroonika ja biomeditsiinini. Nende unikaalsed omadused muudavad need atraktiivseks mitmesugustes rakendustes, kus nõutakse suurt jõudlust ja vastupidavust.

Lennundus ja kosmos

Lennundus- ja kosmosetööstuses kasutatakse nanokomposiite kergete ja ülitugevate materjalide loomiseks lennukikomponentidele. Need materjalid võivad vähendada lennuki kaalu, mis viib parema kütusesäästlikkuse ja jõudluseni. Nanokomposiite kasutatakse ka termobarjäärikatetes, et kaitsta lennukimootoreid kõrgete temperatuuride eest.

Näide: Süsiniknanotorudega tugevdatud polümeernanokomposiite kasutatakse lennukite tiibade ja kereosade valmistamisel. Need materjalid pakuvad kõrget tugevuse ja kaalu suhet ning paremat väsimuskindlust, mis viib kergemate ja vastupidavamate lennukikonstruktsioonideni.

Autotööstus

Autotööstuses kasutatakse nanokomposiite kergete ja vastupidavate osade loomiseks sõidukitele. Need materjalid võivad parandada kütusesäästlikkust, vähendada heitkoguseid ja suurendada ohutust. Nanokomposiite kasutatakse ka rehvides, et parandada kulumiskindlust ja haarduvust.

Näide: Saviga tugevdatud polümeernanokomposiite kasutatakse autode kaitseraudades ja sisepaneelides. Need materjalid pakuvad suurt löögikindlust ja paremat mõõtmete stabiilsust, mis viib ohutumate ja vastupidavamate sõidukiteni.

Elektroonika

Elektroonikatööstuses kasutatakse nanokomposiite suure jõudlusega elektroonikaseadmete ja komponentide loomiseks. Need materjalid võivad parandada juhtivust, vähendada suurust ja suurendada töökindlust. Nanokomposiite kasutatakse ka andurites, ekraanides ja energiasalvestusseadmetes.

Näide: Süsiniknanotorudega tugevdatud polümeernanokomposiite kasutatakse painduvates elektroonilistes vooluringides ja andurites. Need materjalid pakuvad kõrget juhtivust ja paindlikkust, võimaldades uute ja uuenduslike elektroonikaseadmete arendamist.

Biomeditsiin

Biomeditsiinitööstuses kasutatakse nanokomposiite bioühilduvate materjalide loomiseks ravimite kohaletoimetamiseks, koetehnoloogiaks ja meditsiinilisteks implantaatideks. Need materjalid võivad parandada ravimite efektiivsust, soodustada kudede regeneratsiooni ja parandada implantaatide bioühilduvust.

Näide: Hüdroksüapatiidi nanokomposiite kasutatakse luusiirikutes ja hambaimplantaatides. Need materjalid pakuvad suurepärast bioühilduvust ja soodustavad luu regeneratsiooni, mis viib parema implantaadi integreerumise ja paranemiseni.

Pakendamine

Pakenditööstuses kasutatakse nanokomposiite kõrge barjääriga pakkematerjalide loomiseks toidule, jookidele ja ravimitele. Need materjalid võivad kaitsta sisu hapniku, niiskuse ja muude keskkonnategurite eest, pikendades säilivusaega ja säilitades toote kvaliteeti.

Näide: Saviga tugevdatud polümeernanokomposiite kasutatakse toiduainete pakendikiledes. Need materjalid pakuvad suurepäraseid barjääriomadusi hapniku ja veeauru vastu, pikendades pakendatud toiduainete säilivusaega.

Väljakutsed nanokomposiitide arendamisel

Vaatamata paljudele eelistele seisab nanokomposiitide arendamine silmitsi mitmete väljakutsetega. Neid väljakutseid tuleb lahendada, et täielikult realiseerida nende materjalide potentsiaali.

Nanoosakeste dispergeerimine

Nanoosakeste ühtlase dispersiooni saavutamine maatriksmaterjalis on suur väljakutse. Nanoosakesed kipuvad oma kõrge pinnaenergia tõttu aglomereeruma, mis viib halbade mehaaniliste omaduste ja vähenenud jõudluseni. Selle väljakutse ületamiseks on vaja tõhusaid dispergeerimistehnikaid ja pinnamodifitseerimise strateegiaid.

Piirpindade sidumine

Tugeva piirpindade sidumise tagamine nanoosakeste ja maatriksmaterjali vahel on oluline tõhusa pinge ülekande ja paremate mehaaniliste omaduste saavutamiseks. Halb piirpindade sidumine võib viia pinge all lahtitulekuni ja purunemiseni. Piirpindade adhesiooni parandamiseks kasutatakse pinna funktsionaliseerimist ja ühilduvust parandavaid aineid.

Maksumus ja skaleeritavus

Nanomaterjalide maksumus ja tootmisprotsesside skaleeritavus on peamised takistused nanokomposiitide laialdasele kasutuselevõtule. Kvaliteetsed nanomaterjalid võivad olla kallid ja paljud tootmistehnikad ei ole kergesti skaleeritavad tööstusliku tootmise tasemele. Kulutõhusate ja skaleeritavate tootmismeetodite arendamine on nanokomposiitide turustamiseks hädavajalik.

Toksilisus ja keskkonnaprobleemid

Nanomaterjalide potentsiaalne toksilisus ja keskkonnamõju on olulised murekohad. Nanoosakestel võib olla kahjulik mõju inimeste tervisele ja keskkonnale, kui neid ei käidelda nõuetekohaselt. Nanokomposiitide ohutu ja säästva kasutamise tagamiseks on vaja hoolikat riskihindamist ja vastutustundlikke arendustavasid.

Iseloomustamine ja standardimine

Nanokomposiidi struktuuri ja omaduste täpne iseloomustamine on kvaliteedikontrolli ja jõudluse ennustamiseks hädavajalik. Kuid nanoskaala materjalide iseloomustamine võib olla keeruline, nõudes spetsialiseeritud tehnikaid ja ekspertteadmisi. Standardiseeritud testimismeetodite ja protokollide puudumine võib samuti takistada nanokomposiitide arendamist ja turustamist.

Tulevikutrendid nanokomposiitide uurimis- ja arendustegevuses

Nanokomposiitide valdkond areneb kiiresti, pidevate uurimis- ja arendustegevustega, mis keskenduvad väljakutsete lahendamisele ja nende materjalide rakenduste laiendamisele. Peamised suundumused on järgmised:

Uute nanomaterjalide arendamine

Teadlased uurivad pidevalt uusi nanomaterjale, millel on unikaalsed omadused kasutamiseks nanokomposiitides. See hõlmab uut tüüpi nanoosakeste, nanotorude ja nanolehtede arendamist, samuti kohandatud omadustega nanomaterjalide sünteesi.

Täiustatud valmistamistehnikad

Tehakse märkimisväärseid jõupingutusi, et arendada nanokomposiitide jaoks tõhusamaid ja skaleeritavamaid tootmistehnikaid. See hõlmab uute töötlemismeetodite, nagu 3D-printimine ja iseeneslik kokkupanek, arendamist ning olemasolevate tehnikate optimeerimist.

Multifunktsionaalsed nanokomposiidid

Kasvab huvi multifunktsionaalsete nanokomposiitide arendamise vastu, millel on mitu soovitavat omadust. See hõlmab erinevat tüüpi nanomaterjalide kombineerimist, et luua sünergiliste omadustega materjale, samuti funktsionaalsete lisandite lisamist spetsiifiliste funktsionaalsuste andmiseks.

Säästvad nanokomposiidid

Säästvus muutub nanokomposiitide arendamisel üha olulisemaks kaalutluseks. See hõlmab biopõhiste ja biolagunevate materjalide kasutamist ning keskkonnasõbralike tootmisprotsesside arendamist.

Arvutuslik modelleerimine ja simulatsioon

Arvutuslik modelleerimine ja simulatsioon mängivad nanokomposiitide projekteerimisel ja arendamisel üha olulisemat rolli. Neid tööriistu saab kasutada nanokomposiitide omaduste ennustamiseks, tootmisprotsesside optimeerimiseks ja uute materjalide avastamise kiirendamiseks.

Ülemaailmne uurimis- ja arendustegevuse maastik

Nanokomposiitide uurimis- ja arendustegevus on ülemaailmne ettevõtmine, mille oluline tegevus toimub erinevates piirkondades üle maailma. Peamised piirkonnad on järgmised:

Põhja-Ameerika

Põhja-Ameerika, eriti Ameerika Ühendriigid, on juhtiv keskus nanokomposiitide uurimis- ja arendustegevuses. Suured uurimisasutused ja ülikoolid on aktiivselt kaasatud uute nanomaterjalide ja tootmistehnikate arendamisse. USA-l on ka tugev tööstuslik baas nanokomposiitide tootmiseks ja rakendamiseks.

Euroopa

Euroopal on tugev materjaliteaduse uurimise traditsioon ning seal asuvad mitmed juhtivad uurimisasutused ja ülikoolid, mis tegelevad nanokomposiitide arendamisega. Euroopa Liit on samuti investeerinud oluliselt nanotehnoloogia uurimisse erinevate rahastamisprogrammide kaudu.

Aasia ja Vaikse ookeani piirkond

Aasia ja Vaikse ookeani piirkond, eriti Hiina, Jaapan ja Lõuna-Korea, on kiiresti tõusmas suureks keskuseks nanokomposiitide uurimis- ja arendustegevuses. Need riigid on teinud märkimisväärseid investeeringuid nanotehnoloogiasse ja materjaliteadusesse ning neil on suur tööstuslik baas nanokomposiitide tootmiseks ja rakendamiseks.

Arenevad turud

Arenevad turud, nagu India ja Brasiilia, näitavad samuti kasvavat huvi nanokomposiitide uurimis- ja arendustegevuse vastu. Nendel riikidel on kasvav vajadus täiustatud materjalide järele ja nad investeerivad nanotehnoloogia uurimisse, et lahendada oma spetsiifilisi väljakutseid.

Kokkuvõte

Nanokomposiitide arendamine kujutab endast olulist edasiminekut materjaliteaduses ja inseneriteaduses. Need materjalid pakuvad unikaalset omaduste kombinatsiooni, mis muudab need atraktiivseks paljudes rakendustes erinevates tööstusharudes. Kuigi väljakutsed püsivad dispersiooni, piirpindade sidumise, maksumuse ja toksilisuse osas, keskenduvad käimasolevad uurimis- ja arendustegevused nende probleemide lahendamisele ja nanokomposiitide potentsiaali laiendamisele. Nanokomposiitide tulevik on helge, pakkudes potentsiaali revolutsioneerida erinevaid valdkondi ja aidata kaasa säästvama ja tehnoloogiliselt arenenuma maailma loomisele.