Історія створення наноматеріалів та їх застосування налічує багато століть. Дізнайтеся про осовні єтапи- як наноматеріали увійшли в наше життя.
Нанотехнології викликали революцію в галузі матеріалів, тому що до них ніколи не проходила обробка внутрішньої структури матеріалів з такою точністю.
Матеріалознавство завжди працювало над досягненнями, які покращують якість нашого життя. Це не питання природного відбору, але під час цього безперервного процесу, що розвивається, виживає лише найкращий матеріал. Хороші приклади цього:
- свинець
- скловолокно
Перше використання свинцю датується 4000 р. до н.е. в Єгипті. Пізніше він мав декілька застосувань, серед яких використання в трубопровах за часів Римської імперії. Насправді, свинець довгий час був улюбленим металом, який використовувався в трубах. Однак через його негативний вплив на здоров’я людини виникла необхідність замінити його на труби, виготовлені з інших матеріалів, таких як полівінілхлорид (ПВХ).
Між тим, скловолокно також існує дуже давно. Проте вперше його почали виготовляти в промислових масштабах у 20 столітті. Спочатку воно використовувалося як ізоляційний матеріал, але його хімічна міцність, гнучкість і прозорість, серед інших властивостей, дозволили використовувати його для різних цілей. Особливо важливо його використання в оптичному волокні та те, як воно замінило мідь для забезпечення підключення до Інтернету завдяки найшвидшій швидкості передачі.
Це два поширені матеріали, застосування яких змінилося через те, як ми використовуємо їх у різних видах діяльності. Крім того, на додаток до цього процесу безперервного вдосконалення, було досягнуто величезного прогресу в науці, що вплинуло на еволюцію галузей нанонауки та нанотехнологій, що також підштовхнуло до вивчення наноматеріалів.
Історія створення наноматеріалів та їх застосування
Нанотехнології викликали революцію в галузі матеріалів, тому що обробка внутрішньої структури матеріалів ніколи не виконувалася в такому малому масштабі з такою точністю.
Древні часи
Наночастинки та структури використовувалися людьми в четвертому столітті нашої ери римлянами, що продемонструвало один з найцікавіших прикладів нанотехнологій у стародавньому світі.
Чашка Лікурга з колекції Британського музею є одним із найвидатніших досягнень стародавньої скляної промисловості. Це найстаріший відомий зразок дихроичного скла. Діхроічне скло описує два різних типи скла, які змінюють колір за певних умов освітлення. Це означає, що чашка має два різні кольори: скло виглядає зеленим при прямому світлі і червоно-фіолетовим, коли світло просвічує крізь скло.
У 1990 році вчені проаналізували чашку за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ), щоб пояснити явище дихроїзму. Дихроїзм (два кольори) зумовлений наявністю наночастинок діаметром 50–100 нм.
Рентгенівський аналіз показав, що ці наночастинки являють собою срібло-золотий (Ag-Au) сплав із співвідношенням Ag:Au приблизно 7:3, що містить додатково близько 10% міді (Cu), диспергованої в скляній матриці. Наночастинки Au отримують червоний колір в результаті поглинання світла (~520 нм). Червоно-фіолетовий колір пояснюється поглинанням більшими частинками, а зелений колір пояснюється розсіюванням світла колоїдними дисперсіями наночастинок Ag розміром > 40 нм.
Чашка Лікурга визнана одним із найстаріших синтетичних наноматеріалів. Подібний ефект спостерігається у пізньосередньовічних церковних витражах, які сяють червоним і жовтим кольорами через злиття наночастинок Au та Ag у склі.
Протягом 9–17 століть сяючі, блискучі керамічні глазурі, які використовувалися в ісламському світі, а пізніше в Європі, містили Ag або мідь (Cu) або інші наночастинки. Італійці також використовували наночастинки для створення кераміки епохи Відродження протягом 16 століття.
На них вплинула османська техніка: у 13–18 століттях для виробництва клинків шабель «Дамаск» використовували цементитні нанодроти та вуглецеві нанотрубки, які забезпечували міцність, пружність і здатність тримати гостру кромку. Ці кольори та властивості матеріалу вироблялися навмисно протягом сотень років. Проте середньовічні художники та підробники не знали справжніх причин цих дивовижних ефектів.
У 1857 році Майкл Фарадей вивчав приготування та властивості колоїдної суспензії «рубінового» золота. Їх унікальні оптичні та електронні властивості роблять їх одними з найцікавіших наночастинок. Фарадей продемонстрував, як наночастинки золота утворюють різнокольорові розчини за певних умов освітлення.
Що можуть нанотехнології: 10 способів застосування та важливість для суспільства
Сучасний етап історії створення наноматеріалів
Від ранніх ідей Фейнмана спостерігався прогрес у нанотехнологіях до 1981 року. Історія створення наноматеріалів вийшла на новий рівень, коли фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер винайшли новий тип мікроскопа в дослідницькій лабораторії IBM Zurich Research Laboratory — скануючий тунельний мікроскоп (STM).
STM використовує гострий наконечник, який рухається настільки близько до провідної поверхні, що хвильові функції електронів атомів у наконечнику перекриваються хвильовими функціями поверхневого атома. Коли подається напруга, електрони «тунелюють» через вакуумний зазор від атома наконечника в поверхню (або навпаки). У 1983 році група опублікувала перше СТМ-зображення реконструйованої поверхні Si(111)-7 × 7.
Кілька років потому, у 1990 році, Дон Ейглер із IBM в Альмадені та його колеги використали STM для маніпулювання 35 окремими атомами ксенону на поверхні нікелю та сформували літери логотипу IBM. STM був винайдений для зображення поверхонь в атомному масштабі і використовувався як інструмент, за допомогою якого атомами та молекулами можна маніпулювати для створення структур. Тунельний струм можна використовувати для вибіркового розриву або індукування хімічних зв’язків.
У 1986 році Бінніг і Рорер отримали Нобелівську премію з фізики «за розробку STM». Цей винахід призвів до розробки атомно-силового мікроскопа (АСМ) і скануючого зондового мікроскопа (СЗМ), які сьогодні є інструментами для дослідників нанотехнологій.
У той же час у 1985 році Роберт Керл, Гарольд Крото і Річард Смоллі виявили, що вуглець може існувати також у формі дуже стабільних сфер, фулеренів або бакіболів. Вуглецеві кульки з хімічною формулою C60 або C70 утворюються при випаровуванні графіту в інертній атмосфері. Зараз розроблено нову хімію вуглецю, і можна укласти атоми металів і створювати нові органічні сполуки.
Міцність і гнучкість вуглецевих нанотрубок роблять їх потенційно корисними для багатьох нанотехнологічних застосувань. В даний час вуглецеві нанотрубки використовуються як композитні волокна в полімерах і бетоні для поліпшення механічних, теплових та електричних властивостей сипучого продукту. Вони також мають потенційне застосування як польові випромінювачі, матеріали для зберігання енергії, каталіз та молекулярні електронні компоненти.
У 2004 році вчений Ксю (Хu) випадково виявив новий клас вуглецевих наноматеріалів під назвою вуглецеві точки (C-dots) розміром менше 10 нм. під час очищення одностінних вуглецевих нанотрубок. С-точки з цікавими властивостями поступово стали висхідною зіркою як новий член. класу нановуглецю через їх доброякісність, велику кількість і недорогу природу.
Володіння такими чудовими властивостями, як низька токсичність і хороша біосумісність, робить C-точки сприятливими матеріалами для застосування в біовізуалізації, біосенсорі та доставці ліків. Завдяки своїм чудовим оптичним та електронним властивостям, C-точки можуть також запропонувати захоплюючі можливості для каталізу, перетворення енергії, фотоелектричних пристроїв і нанозондів для чутливого виявлення іонів. Після відкриття «графену» в 2004 році матеріали на основі вуглецю стали основою майже всіх галузей науки та техніки.
Тим часом нанонаука прогресувала в інших галузях науки, таких як інформатика, біографія та інженерія. Нанонаука і технології прогресували в інформатиці, щоб зменшити розмір звичайного комп’ютера від розміру кімнати до високоефективних мобільних ноутбуків. Інженери-електрики розробили складні електричні схеми аж до нанорозмірного рівня. Крім того, багато прогресів помічені в технології смартфонів та інших сучасних електронних пристроїв для щоденного використання.
На початку 21 століття спостерігається підвищений інтерес до нанонауки та нанотехнологій. У Сполучених Штатах фейнманівська концепція маніпулювання матерією на атомному рівні відіграла важливу роль у формуванні національних наукових пріоритетів. Під час виступу в Каліфорнійському техніці 21 січня 2000 року президент Білл Клінтон виступав за фінансування досліджень у сфері нанотехнологій. Через три роки президент Джордж Буш підписав закон про дослідження та розробку нанотехнологій 21 століття.
Останнім часом низка досліджень підкреслила величезний потенціал нанотехнологій у біомедицині для діагностики та терапії багатьох захворювань людини. У зв’язку з цим біонанотехнології багато експертів вважають однією з найбільш інтригуючих сфер застосування нанонауки.
Протягом останніх десятиліть історія створення наноматеріалів була доповнена застосуванням нанотехнологій у багатьох областях, пов’язаних з біологією, таких як діагностика, доставка ліків та молекулярна візуалізація. Вони інтенсивно досліджуються і дають чудові результати. Примітно, що в даний час на ринку представлено безліч медичних продуктів, що містять наноматеріали. Приклади «нанофармацевтичних препаратів» включають наноматеріали для доставки ліків та регенеративної медицини, а також наночастинки з антибактеріальною активністю або функціональні наноструктури, які використовуються для виявлення біомаркерів, як-от нанобіочіпи, наноелектроди або нанобіосенсори.
Одне з найважливіших застосувань нанотехнологій у молекулярній біології пов’язане з нуклеїновими кислотами. У 2006 році Пол Ротемунд розробив «орігамі ДНК з каркасом», підвищивши складність і розмір самозібраних наноструктур ДНК у реакції «одного горщика».
Концептуальну основу для нанотехнології ДНК вперше заклав Надріан Сіман у 1982 році: «Можна генерувати послідовності олігомерних нуклеїнових кислот, які переважно асоціюватимуться з утворенням міграційно нерухомих з’єднань, а не лінійних дуплексів, як це зазвичай роблять».
Технології майбутнього: 25 найважливіших досягнень
Застосування наноматеріалів
Кілька прикладів сучасних застосувань наноматеріалів:
В бетоні. Стосовно бетону, було помічено, що доданий наноматеріал сприяє деградації забруднюючих речовин завдяки фотокаталітичній активності, присутній у TiO2. Існують конструкції, які вже побудовані з цього матеріалу та інших продуктів, таких як самоочисне скло та косметика, які також використовують TiO2.
Використання наносрібла дуже корисно для упаковки харчових продуктів, оскільки воно діє як біоцид, запобігаючи утворенню цвілі та псування продукту, що дозволяє зберігати його протягом більш тривалого періоду часу.
Покращення якості води завжди є постійним полем для досліджень, оскільки вода є дефіцитним і життєво важливим ресурсом для людства. Завдяки дослідженням для досягнення цієї мети були розроблені мембрани з вуглецевими нанотрубками. Зазначені наноматеріали не тільки додають цим мембранам кращі механічні властивості, але також забезпечують більший потік і ефективність щодо відторгнення солі. Вони використовуються як для опріснення води, так і для видалення нафти або забруднюючих речовин. У цій сфері проводиться багато досліджень, і ринок постійно зростає.
Нарешті, наноматеріали також можна знайти в галузі стоматологічної допомоги. Нанотехнології настільки вплинули на цю сферу, що вже йдуть розмови про розвиток наностоматології, де б використовувалися нові біоматеріали і навіть нанороботи. На ринку вже можна знайти брекети з нанокераміки різних колірних відтінків, які покращують зовнішній вигляд пацієнта.
Токсикологічний вплив наноматеріалів
Наукове співтовариство дуже добре усвідомлює необхідність аналізу можливого впливу цих нових матеріалів, оскільки є докази, які доводять, що в разі прийому, вдихання або поглинання шкірою ці наноматеріали можуть завдати шкоди не тільки людям, але й іншим живим істотам.
Існують дослідження, які показують, що у щурів може розвинутися мікросудинна дисфункція під час впливу наночастинок TiO2 і що вуглецеві нанотрубки можуть викликати тромбоз судин. Однак досі немає систематичних або остаточних досліджень щодо реального ефекту, який можуть спричинити ці наноматеріали.
Сучасні перспективи та обмеження наноматеріалів
Історія створення наноматеріалів має продовження. Список наноматеріалів та їх поточного та майбутнього застосування можна продовжувати нескінченно. Однак ми торкнемося двох, особливо цікавих для багатьох компаній:
- графен
- наноцелюлоза
Через високий потенціал властивостей графену кілька компаній (2D Carbon Tech, ACS Material, Advanced Graphene Products та інші) зосереджені на його виробництві та інвестують у цей наноматеріал. Наприклад, компанія Saint Jean Carbon оголосила про виробництво літій-графенових акумуляторів у 2017 році.
Проте були попередження щодо надвисоких очікувань, які деякі компанії висувають на свою продукцію, тому реальна інформація є ключовою перед будь-якими інвестиціями.
Прогнозується, що у 2023 році ринок наноцелюлози досягне 661,3 млн доларів США завдяки зростанню попиту паперово-целюлозної промисловості. Ринок електроніки та датчиків – це той, який обіцяє особливо високі складні річні темпи зростання. Деякі з компаній у цьому секторі – Innventia (Швеція), American Process (США), FPInnovations (Канада).
Джерело: www.ennomotive.com та www.ncbi.nlm.nih.gov/
