Nanokompozitų kūrimas: išsami pasaulinė apžvalga

Nanokompozitai yra žavinga medžiagų mokslo ir inžinerijos sritis. Šios pažangios medžiagos, sukurtos sujungiant du ar daugiau komponentų, kai bent vieno komponento matmenys yra nanometrų skalėje (1–100 nm), pasižymi savybėmis, kurios gerokai skiriasi ir dažnai yra pranašesnės už jų atskirų sudedamųjų dalių savybes. Šioje pasaulinėje apžvalgoje nagrinėjamas nanokompozitų kūrimas, taikymas, iššūkiai ir ateities tendencijos įvairiose pramonės ir tyrimų srityse.

Kas yra nanokompozitai?

Nanokompozitas yra daugiafazė medžiaga, kurioje viena iš fazių turi bent vieną matmenį nanometrų skalėje. Šios medžiagos sukurtos siekiant išnaudoti unikalias savybes, atsirandančias nanolygmenyje, pavyzdžiui, padidintą paviršiaus plotą, kvantinius efektus ir naujas sąveikas tarp sudedamųjų medžiagų. Nanometrų dydžio komponentų derinys su tūrine matrica sukuria medžiagas su pagerintomis mechaninėmis, šiluminėmis, elektrinėmis, optinėmis ir barjerinėmis savybėmis.

Nanokompozitų tipai

• Polimeriniai nanokompozitai: Jie susideda iš polimerinės matricos, sustiprintos nanodalelių užpildais, tokiais kaip nanodalelės, nanovamzdeliai ar sluoksniuoti silikatai. Pavyzdžiai: polimerų ir molio nanokompozitai, polimerų ir anglies nanovamzdelių nanokompozitai, polimerų ir grafeno nanokompozitai.
• Keraminiai nanokompozitai: Juose derinama keraminė matrica su nanometrų dydžio intarpais, tokiais kaip nanodalelės ar nanovamzdeliai, siekiant padidinti kietumą, stiprumą ir atsparumą dilimui. Pavyzdžiai: silicio karbido ir anglies nanovamzdelių kompozitai bei aliuminio oksido ir cirkonio oksido nanokompozitai.
• Metaliniai nanokompozitai: Juose yra metalinė matrica, sustiprinta nanodalelėmis ar skaidulomis, siekiant pagerinti stiprumą, kietumą ir laidumą. Pavyzdžiai: vario ir anglies nanovamzdelių kompozitai bei aliuminio ir aliuminio oksido nanokompozitai.

Nanokompozitų kūrimo istorija

Nanokompozitų koncepcija nėra visiškai nauja. Senovės amatininkai naudojo nanodaleles tokiose medžiagose kaip Damasko plienas ir vitražai, visiškai nesuprasdami pagrindinių nanolygmens reiškinių. Tačiau modernioji nanokompozitų tyrimų era prasidėjo XX amžiaus pabaigoje, padarius didelę pažangą nanotechnologijų ir medžiagų mokslo srityse. Svarbiausi etapai:

• 1950–1980 m.: Ankstyvieji tyrimai buvo sutelkti į kompozitus su dalelių užpildais ir koloidinio apdorojimo metodų kūrimą.
• 1990-ieji: „Toyota“ tyrėjų sukurtas polimerų ir molio nanokompozitų proveržis, parodęs reikšmingą mechaninių ir barjerinių savybių pagerėjimą.
• Nuo 2000-ųjų iki dabar: Spartus augimas šioje srityje, paskatintas nanogamybos metodų, apibūdinimo metodų ir kompiuterinio modeliavimo pažangos. Tyrimai išsiplėtė į platesnį nanomedžiagų ir taikymo sričių spektrą.

Nanokompozitų gamybos metodai

Nanokompozitų gamyba apima įvairius metodus, kurių kiekvienas tinka tam tikriems medžiagų deriniams ir norimoms savybėms. Pagrindiniai metodai apima:

Maišymas tirpale

Šis metodas apima nanodalelių dispersiją tirpiklyje, o po to jų sumaišymą su matricos medžiaga tirpalo pavidalu. Tirpiklis išgarinamas, paliekant nanokompozitinę medžiagą. Maišymas tirpale ypač tinka polimeriniams nanokompozitams.

Pavyzdys: Įprastas metodas yra anglies nanovamzdelių dispersija tirpiklyje, tokiame kaip dimetilformamidas (DMF), naudojant ultragarsinimą. Ši dispersija sumaišoma su polimero, pavyzdžiui, polistireno, tirpalu, taip pat ištirpintu DMF. Po kruopštaus maišymo DMF išgarinamas, paliekant polistireno ir anglies nanovamzdelių nanokompozitinę plėvelę.

Maišymas lydale

Maišymas lydale apima nanodalelių įterpimą tiesiai į išlydytą matricos medžiagą, naudojant didelės šlyties maišymą. Šis metodas plačiai naudojamas polimeriniams nanokompozitams ir jo pranašumas yra tas, kad nereikia tirpiklio.

Pavyzdys: Polipropileno (PP) granulės ir organiškai modifikuoto molio nanodalelės tiekiamos į dviejų sraigtų ekstruderį. Didelės šlyties jėgos ekstruderyje išsklaido molio nanodaleles išlydytame PP. Gautas ekstrudatas atvėsinamas ir granuliuojamas, sudarant PP ir molio nanokompozitą.

Polimerizacija in-situ

Šis metodas apima monomero polimerizaciją nanodalelių aplinkoje, todėl susidaro nanokompozitinė medžiaga. Nanodalelės gali veikti kaip polimero augimo branduolių susidarymo vietos, todėl gaunamas gerai disperguotas nanokompozitas.

Pavyzdys: Molio nanodalelės disperguojamos tirpale, kuriame yra monomero, pavyzdžiui, metilmetakrilato (MMA), ir iniciatoriaus. Tada MMA polimerizuojamas in-situ, todėl susidaro polimetilmetakrilato (PMMA) ir molio nanokompozitas. Molio nanodalelės tolygiai pasiskirsto visoje PMMA matricoje.

Zolių-gelių metodas

Zolių-gelių metodas yra universalus būdas gaminti keraminius ir metalinius nanokompozitus. Jis apima zolio (stabilios koloidinių dalelių dispersijos) susidarymą, po kurio seka gelėjimas, sudarant kietą tinklą. Nanodalelės gali būti įterptos į zolį prieš gelėjimą.

Pavyzdys: Tetraetilortosilikatas (TEOS) hidrolizuojamas ir kondensuojamas, kad susidarytų silicio dioksido zolis. Tada į zolį pridedamos cirkonio oksido nanodalelės ir disperguojamos ultragarsu. Zoliui leidžiama gelėti, po to džiovinama ir kalcinuojama, kad susidarytų silicio dioksido ir cirkonio oksido nanokompozitas.

Sluoksniavimo metodas

Šis metodas apima nuoseklų priešingai įkrautų medžiagų nusodinimą ant substrato, sukuriant daugiasluoksnę nanokompozitinę plėvelę. Šis metodas leidžia tiksliai kontroliuoti nanokompozito sudėtį ir struktūrą.

Pavyzdys: Substratas pakaitomis panardinamas į tirpalą, kuriame yra teigiamai įkrautas polimeras, ir į tirpalą, kuriame yra neigiamai įkrautos nanodalelės. Kiekviename panardinimo etape nusodinamas atitinkamos medžiagos sluoksnis, todėl susidaro daugiasluoksnė nanokompozitinė plėvelė su besikeičiančiais polimero ir nanodalelių sluoksniais.

Pagrindinės nanokompozitų pagerintos savybės

Nanometrų dydžio komponentų įterpimas į matricos medžiagą gali žymiai pagerinti įvairias savybes. Šie patobulinimai yra labai svarbūs įvairiems taikymams.

Mechaninės savybės

Nanokompozitai dažnai pasižymi pranašesnėmis mechaninėmis savybėmis, palyginti su jų atskiromis sudedamosiomis dalimis. Tai apima padidintą stiprumą, standumą, kietumą ir atsparumą dilimui. Nanometrų dydžio sutvirtinimas leidžia efektyviau perduoti įtempius ir užpildyti plyšius, todėl pagerėja mechaninės savybės.

Pavyzdys: Polimeriniai nanokompozitai, sustiprinti anglies nanovamzdeliais, gali pasižymėti žymiai didesniu tempimo stipriu ir Jungo moduliu, palyginti su grynu polimeru. Nanovamzdeliai veikia kaip sutvirtinimas, užkertant kelią plyšių plitimui ir gerinant bendrą medžiagos mechaninį vientisumą.

Šiluminės savybės

Nanokompozitai gali pasižymėti didesniu šiluminiu stabilumu, atsparumu karščiui ir šilumos laidumu. Nanometrų dydžio užpildai gali apriboti polimerų grandinių judrumą, todėl padidėja šiluminio skilimo temperatūra. Kai kuriais atvejais nanokompozitai taip pat gali būti sukurti taip, kad pasižymėtų geresniu šilumos laidumu, o tai naudinga šilumos išsklaidymo programoms.

Pavyzdys: Polimeriniai nanokompozitai, kuriuose yra grafeno nanodalelių, gali pasižymėti žymiai geresniu šilumos laidumu, palyginti su grynu polimeru. Didelis grafeno šilumos laidumas leidžia efektyviai išsklaidyti šilumą, todėl nanokompozitas tinka naudoti šilumos valdymo programose.

Elektrinės savybės

Nanokompozitai gali būti sukurti taip, kad pasižymėtų įvairiomis elektrinėmis savybėmis – nuo labai laidžių iki labai izoliuojančių. Nanokompozito elektrinės savybės priklauso nuo naudojamo nanometrų dydžio užpildo tipo ir jo koncentracijos matricoje. Laidūs užpildai, tokie kaip anglies nanovamzdeliai ir grafenas, gali būti naudojami laidiesiems nanokompozitams kurti, o izoliaciniai užpildai, tokie kaip silicio dioksidas, gali būti naudojami izoliaciniams nanokompozitams kurti.

Pavyzdys: Polimeriniai nanokompozitai, kuriuose yra anglies nanovamzdelių, gali pasižymėti dideliu elektros laidumu, todėl jie tinka naudoti laidžiose dangose, jutikliuose ir elektroniniuose prietaisuose. Nanovamzdeliai sudaro laidų tinklą polimero matricoje, leidžiantį efektyviai pernešti elektronus.

Barjerinės savybės

Nanokompozitai gali pasižymėti pagerintomis barjerinėmis savybėmis nuo dujų, skysčių ir tirpiklių. Nanometrų dydžio užpildai gali sukurti vingiuotą kelią prasiskverbiančioms molekulėms, sumažindami difuzijos greitį ir pagerindami barjerines savybes. Tai ypač svarbu pakuotėms, kur reikia apsaugoti turinį nuo aplinkos poveikio.

Pavyzdys: Polimeriniai nanokompozitai, kuriuose yra molio nanodalelių, gali pasižymėti žymiai geresnėmis barjerinėmis savybėmis nuo deguonies ir vandens garų, palyginti su grynu polimeru. Molio nanodalelės sudaro sluoksniuotą struktūrą, kuri sukuria vingiuotą kelią prasiskverbiančioms molekulėms, sumažina difuzijos greitį ir pagerina barjerines savybes.

Optinės savybės

Nanokompozitai gali pasižymėti unikaliomis optinėmis savybėmis, tokiomis kaip padidintas skaidrumas, lūžio rodiklio valdymas ir reguliuojamas plazmoninis rezonansas. Nanokompozito optinės savybės priklauso nuo nanometrų dydžio užpildų dydžio, formos ir koncentracijos, taip pat nuo matricos medžiagos lūžio rodiklio. Tai svarbu taikymams optinėse dangose, jutikliuose ir ekranuose.

Pavyzdys: Polimeriniai nanokompozitai, kuriuose yra sidabro nanodalelių, gali pasižymėti reguliuojamu plazmoniniu rezonansu, kuris gali būti naudojamas paviršiaus sustiprintos Ramano spektroskopijos (SERS) ir plazmoninių jutiklių taikymams. Plazmoninio rezonanso dažnis priklauso nuo sidabro nanodalelių dydžio, formos ir koncentracijos.

Nanokompozitų taikymas įvairiose pramonės šakose

Nanokompozitai pritaikomi įvairiose pramonės šakose – nuo aviacijos ir kosmoso bei automobilių pramonės iki elektronikos ir biomedicinos. Dėl savo unikalių savybių jie yra patrauklūs įvairiems taikymams, kur reikalingas didelis našumas ir ilgaamžiškumas.

Aviacija ir kosmosas

Aviacijos ir kosmoso pramonėje nanokompozitai naudojami lengvoms, didelio stiprumo medžiagoms orlaivių komponentams gaminti. Šios medžiagos gali sumažinti orlaivio svorį, o tai pagerina degalų naudojimo efektyvumą ir našumą. Nanokompozitai taip pat naudojami šiluminėse barjerinėse dangose, siekiant apsaugoti orlaivių variklius nuo aukštos temperatūros.

Pavyzdys: Anglies nanovamzdeliais sustiprinti polimeriniai nanokompozitai naudojami orlaivių sparnų ir fiuzeliažo komponentuose. Šios medžiagos pasižymi dideliu stiprumo ir svorio santykiu bei pagerintu atsparumu nuovargiui, todėl orlaivių konstrukcijos yra lengvesnės ir patvaresnės.

Automobilių pramonė

Automobilių pramonėje nanokompozitai naudojami lengvoms ir patvarioms transporto priemonių dalims gaminti. Šios medžiagos gali pagerinti degalų naudojimo efektyvumą, sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį ir padidinti saugumą. Nanokompozitai taip pat naudojami padangose, siekiant pagerinti atsparumą dilimui ir sukibimą.

Pavyzdys: Moliu sustiprinti polimeriniai nanokompozitai naudojami automobilių buferiuose ir vidaus apdailos plokštėse. Šios medžiagos pasižymi dideliu atsparumu smūgiams ir pagerintu matmenų stabilumu, todėl transporto priemonės yra saugesnės ir patvaresnės.

Elektronika

Elektronikos pramonėje nanokompozitai naudojami didelio našumo elektroniniams prietaisams ir komponentams kurti. Šios medžiagos gali pagerinti laidumą, sumažinti dydį ir padidinti patikimumą. Nanokompozitai taip pat naudojami jutikliuose, ekranuose ir energijos kaupimo įrenginiuose.

Pavyzdys: Anglies nanovamzdeliais sustiprinti polimeriniai nanokompozitai naudojami lanksčiose elektroninėse grandinėse ir jutikliuose. Šios medžiagos pasižymi dideliu laidumu ir lankstumu, todėl galima kurti naujus ir novatoriškus elektroninius prietaisus.

Biomedicina

Biomedicinos pramonėje nanokompozitai naudojami biologiškai suderinamoms medžiagoms vaistų tiekimui, audinių inžinerijai ir medicininiams implantams kurti. Šios medžiagos gali pagerinti vaistų veiksmingumą, skatinti audinių regeneraciją ir padidinti implantų biologinį suderinamumą.

Pavyzdys: Hidroksiapatito nanokompozitai naudojami kaulų transplantuose ir dantų implantuose. Šios medžiagos pasižymi puikiu biologiniu suderinamumu ir skatina kaulų regeneraciją, todėl pagerėja implantų integracija ir gijimas.

Pakuotės

Pakuočių pramonėje nanokompozitai naudojami aukšto barjero pakavimo medžiagoms maistui, gėrimams ir vaistams gaminti. Šios medžiagos gali apsaugoti turinį nuo deguonies, drėgmės ir kitų aplinkos veiksnių, prailgindamos galiojimo laiką ir išlaikydamos produkto kokybę.

Pavyzdys: Moliu sustiprinti polimeriniai nanokompozitai naudojami maisto pakavimo plėvelėse. Šios medžiagos pasižymi puikiomis barjerinėmis savybėmis nuo deguonies ir vandens garų, prailgindamos supakuotų maisto produktų galiojimo laiką.

Nanokompozitų kūrimo iššūkiai

Nepaisant daugybės privalumų, nanokompozitų kūrimas susiduria su keliais iššūkiais. Šiuos iššūkius reikia spręsti, norint visiškai išnaudoti šių medžiagų potencialą.

Nanodalelių dispersija

Tolygios nanodalelių dispersijos pasiekimas matricos medžiagoje yra didelis iššūkis. Nanodalelės linkusios aglomeruoti dėl didelės paviršiaus energijos, o tai lemia prastas mechanines savybes ir sumažėjusį našumą. Norint įveikti šį iššūkį, reikalingi veiksmingi dispersijos metodai ir paviršiaus modifikavimo strategijos.

Sąsajos ryšys

Stipraus sąsajos ryšio tarp nanodalelių ir matricos medžiagos užtikrinimas yra labai svarbus efektyviam įtempių perdavimui ir pagerintoms mechaninėms savybėms. Prastas sąsajos ryšys gali sukelti atsiskyrimą ir gedimą veikiant įtempiui. Sąsajos sukibimui pagerinti naudojami paviršiaus funkcionalizavimas ir suderinamumą didinantys agentai.

Kaina ir mastelio keitimas

Nanomedžiagų kaina ir gamybos procesų mastelio keitimas yra pagrindinės kliūtys plačiam nanokompozitų pritaikymui. Aukštos kokybės nanomedžiagos gali būti brangios, o daugelis gamybos metodų nėra lengvai pritaikomi pramoninės gamybos lygiui. Norint komercializuoti nanokompozitus, būtina kurti ekonomiškus ir keičiamo mastelio gamybos metodus.

Toksiškumas ir aplinkosaugos problemos

Galimas nanomedžiagų toksiškumas ir poveikis aplinkai yra svarbios problemos. Nanodalelės gali turėti neigiamą poveikį žmonių sveikatai ir aplinkai, jei su jomis elgiamasi netinkamai. Norint užtikrinti saugų ir tvarų nanokompozitų naudojimą, reikalingas kruopštus rizikos vertinimas ir atsakinga plėtros praktika.

Apibūdinimas ir standartizavimas

Tikslus nanokompozitų struktūros ir savybių apibūdinimas yra būtinas kokybės kontrolei ir našumo prognozavimui. Tačiau nanolygmens medžiagų apibūdinimas gali būti sudėtingas, reikalaujantis specializuotų metodų ir patirties. Standartizuotų bandymų metodų ir protokolų trūkumas taip pat gali trukdyti nanokompozitų kūrimui ir komercializavimui.

Ateities tendencijos nanokompozitų tyrimuose ir plėtroje

Nanokompozitų sritis sparčiai vystosi, o nuolatinės tyrimų ir plėtros pastangos yra skirtos iššūkiams spręsti ir šių medžiagų taikymo sritims plėsti. Pagrindinės tendencijos apima:

Naujų nanomedžiagų kūrimas

Tyrėjai nuolat tiria naujas nanomedžiagas su unikaliomis savybėmis, skirtas naudoti nanokompozituose. Tai apima naujų tipų nanodalelių, nanovamzdelių ir nanodalelių kūrimą, taip pat nanomedžiagų su pritaikytomis savybėmis sintezę.

Pažangūs gamybos metodai

Dededamos didelės pastangos kuriant efektyvesnius ir keičiamo mastelio nanokompozitų gamybos metodus. Tai apima naujų apdorojimo metodų, tokių kaip 3D spausdinimas ir savaiminis surinkimas, kūrimą, taip pat esamų metodų optimizavimą.

Daugiafunkciniai nanokompozitai

Didėja susidomėjimas daugiafunkcinių nanokompozitų, pasižyminčių keliomis pageidaujamomis savybėmis, kūrimu. Tai apima įvairių tipų nanomedžiagų derinį, siekiant sukurti medžiagas su sinerginėmis savybėmis, taip pat funkcinių priedų įterpimą, siekiant suteikti specifinių funkcijų.

Tvarūs nanokompozitai

Tvarumas tampa vis svarbesniu aspektu nanokompozitų kūrime. Tai apima biologinių ir biologiškai skaidžių medžiagų naudojimą, taip pat aplinkai nekenksmingų gamybos procesų kūrimą.

Kompiuterinis modeliavimas ir simuliacija

Kompiuterinis modeliavimas ir simuliacija vaidina vis svarbesnį vaidmenį nanokompozitų projektavime ir kūrime. Šie įrankiai gali būti naudojami prognozuoti nanokompozitų savybes, optimizuoti gamybos procesus ir paspartinti naujų medžiagų atradimą.

Pasaulinis tyrimų ir plėtros kraštovaizdis

Nanokompozitų tyrimai ir plėtra yra pasaulinė veikla, o didelė veikla vyksta įvairiuose pasaulio regionuose. Pagrindiniai regionai apima:

Šiaurės Amerika

Šiaurės Amerika, ypač Jungtinės Valstijos, yra pirmaujantis nanokompozitų tyrimų ir plėtros centras. Didžiosios mokslinių tyrimų institucijos ir universitetai aktyviai dalyvauja kuriant naujas nanomedžiagas ir gamybos metodus. JAV taip pat turi stiprią pramoninę bazę nanokompozitų gamybai ir taikymui.

Europa

Europa turi stiprias medžiagų mokslo tyrimų tradicijas ir yra keleto pirmaujančių mokslinių tyrimų institucijų bei universitetų, dalyvaujančių nanokompozitų kūrime, namai. Europos Sąjunga taip pat daug investavo į nanotechnologijų tyrimus per įvairias finansavimo programas.

Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas

Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas, ypač Kinija, Japonija ir Pietų Korėja, sparčiai tampa pagrindiniu nanokompozitų tyrimų ir plėtros centru. Šios šalys padarė didelių investicijų į nanotechnologijas ir medžiagų mokslą, ir jos turi didelę pramoninę bazę nanokompozitų gamybai ir taikymui.

Besivystančios rinkos

Besivystančios rinkos, tokios kaip Indija ir Brazilija, taip pat rodo didėjantį susidomėjimą nanokompozitų tyrimais ir plėtra. Šios šalys turi augantį pažangių medžiagų poreikį ir investuoja į nanotechnologijų tyrimus, siekdamos išspręsti savo specifinius iššūkius.

Išvada

Nanokompozitų kūrimas yra reikšmingas medžiagų mokslo ir inžinerijos pasiekimas. Šios medžiagos pasižymi unikaliu savybių deriniu, todėl jos yra patrauklios įvairiems taikymams įvairiose pramonės šakose. Nors išlieka iššūkių, susijusių su dispersija, sąsajos ryšiu, kaina ir toksiškumu, nuolatinės tyrimų ir plėtros pastangos yra skirtos šioms problemoms spręsti ir nanokompozitų potencialui plėsti. Nanokompozitų ateitis yra šviesi, su galimybe revoliucionizuoti įvairias sritis ir prisidėti prie tvaresnio ir technologiškai pažangesnio pasaulio.