Nanomateriály - Nanomaterials

Část série článků o
Nanomateriály
C60-rods.png
Uhlíkové nanotrubičky
Fullereny
Jiné nanočástice
Nanostrukturované materiály
Část série článků o
Nanotechnologie
Dopad a aplikace
Nanomateriály
Molekulární vlastní montáž
Nanoelektronika
Nanometrologie
Molekulární nanotechnologie

Nanomateriály v zásadě popisují materiály, z nichž je jedna jednotka malé velikosti (alespoň v jedné dimenzi) mezi 1 a 100 nm (obvyklá definice nanoměřítka ).

Výzkum nanomateriálů využívá k nanotechnologii přístup založený na materiálových vědách a využívá pokroky v oblasti metrologie a syntézy materiálů, které byly vyvinuty na podporu výzkumu mikrofabrikace . Materiály se strukturou v nanoměřítku mají často jedinečné optické, elektronické, termofyzikální nebo mechanické vlastnosti.

Nanomateriály se pomalu komercializují a začínají se objevovat jako komodity.

Definice

V ISO/TS 80004 je nanomateriál definován jako „materiál s jakýmkoli vnějším rozměrem v nanoměřítku nebo s vnitřní strukturou nebo strukturou povrchu v nanoměřítku“, přičemž nanoměřítko je definováno jako „rozsah délky přibližně od 1 nm do 100 nm“. To zahrnuje jak nanoobjekty , které jsou diskrétními kousky materiálu, tak nanostrukturované materiály , které mají vnitřní nebo povrchovou strukturu v nanoměřítku; nanomateriál může být členem obou těchto kategorií.

Dne 18. října 2011 přijala Evropská komise následující definici nanomateriálu: „Přírodní, náhodný nebo vyrobený materiál obsahující částice, v nevázaném stavu nebo jako agregát nebo jako aglomerát a pro 50% a více částic v distribuce velikosti čísel, jeden nebo více vnějších rozměrů je v rozmezí velikostí 1 nm - 100 nm. Ve specifických případech a tam, kde je to odůvodněno obavami o životní prostředí, zdraví, bezpečnost nebo konkurenceschopnost, může být prahová hodnota distribuce velikosti čísla 50% nahrazena prahová hodnota mezi 1% a 50%. “

Prameny

Konstruováno

Navržené nanomateriály byly záměrně navrženy a vyrobeny lidmi, aby měly určité požadované vlastnosti.

Starými nanomateriály jsou ty, které byly v komerční výrobě před vývojem nanotechnologií jako postupný pokrok oproti jiným koloidním nebo částicovým materiálům. Zahrnují nanočástice sazí a oxidu titaničitého .

Vedlejší

Nanomateriály mohou být neúmyslně vyráběny jako vedlejší produkt mechanických nebo průmyslových procesů spalováním a odpařováním. Zdroje náhodných nanočástic zahrnují výfuky motorů vozidel, tavení, svařovací dýmy, spalovací procesy z domácího topení a vaření na tuhá paliva. Například třída nanomateriálů nazývaná fullereny jsou generovány spalováním plynu, biomasy a svíčky. Může to být také vedlejší produkt produktů opotřebení a koroze. Náhodné atmosférické nanočástice jsou často označovány jako ultrajemné částice , které jsou neúmyslně produkovány během úmyslné operace a mohly by přispět ke znečištění ovzduší .

Přírodní

Biologické systémy často obsahují přírodní funkční nanomateriály. Struktura foraminifera (zejména křída) a viry (protein, kapsidový ), vosk krystaly, které pokrývají lotosu nebo lichořeřišnice list, pavouk a pavoučí roztoče hedvábí, modrý odstín tarantule se „spatulae“ na spodní straně gecko nohou, některé váhy motýlích křídel, přírodní koloidy ( mléko , krev ), nadržené materiály ( kůže , drápy , zobáky , peří , rohy , vlasy ), papír , bavlna , perleť , korály a dokonce i naše vlastní kostní matrice jsou všechny přírodní organické nanomateriály.

Přírodní anorganické nanomateriály se vyskytují prostřednictvím růstu krystalů v různých chemických podmínkách zemské kůry . Například jíly vykazují složité nanostruktury díky anizotropii jejich podkladové krystalové struktury a vulkanická aktivita může vést k vzniku opálů , které jsou díky své nanorozměrné struktuře příkladem přirozeně se vyskytujících fotonických krystalů . Požáry představují obzvláště složité reakce a mohou vytvářet pigmenty , cement , pyrogenní oxid křemičitý atd.

Mezi přírodní zdroje nanočástic patří produkty spalování lesní požáry, sopečný popel, oceánská sprška a radioaktivní rozpad radonového plynu. Přírodní nanomateriály lze také vytvářet procesem zvětrávání hornin obsahujících kovy nebo anionty a také v místech odvodňování kyselých dolů .

Galerie přírodních nanomateriálů

  • Virová kapsida

  • „ Lotus efekt “, hydrofobní efekt se samočisticí schopností

  • Detail spodní strany nohy gekona při chůzi po skleněné stěně (špachtle: 200 × 10–15 nm)

  • Mikrofotografie SEM v měřítku motýlích křídel (× 5 000)

  • Paví peří (detail)

  • Brazilský křišťálový opál. Hra barev je způsobena interferencí a difrakcí světla mezi koulemi oxidu křemičitého (průměr 150 - 300 nm).

  • Modrý odstín druhu sklípkana (450 nm ± 20 nm)

Typy

Nanoobjekty jsou často rozděleny do kategorií podle toho, kolik jejich rozměrů spadá do nanometru. Nanočástic je definovali nanoobjekt se všemi třemi vnějšími rozměry v řádu nanometrů, jejichž nejdelší a nejkratší osy významně neliší. Nanovlákna má dva vnější rozměry v řádu nanometrů, s nanotrubičky jsou duté nanovlákna a nanorods pohody pevných nanovláken. Nanoplate / nanosheet má jednu vnější rozměr v řádu nanometrů, a je-li dvě větší rozměry jsou výrazně odlišné to je nazýváno nanoribbon . U nanovláken a nanoplastů mohou nebo nemusí být jiné rozměry v nanoměřítku, ale musí být podstatně větší. Ve všech případech se uvádí, že významným rozdílem je obvykle alespoň faktor 3.

Nanostrukturované materiály jsou často kategorizovány podle toho, jaké fáze hmoty obsahují. Nanokompozitní je pevná látka, obsahující alespoň jednu fyzikálně nebo chemicky odlišné oblasti, nebo shromažďování oblastí, které mají alespoň jeden rozměr v řádu nanometrů .. nanofoam má tekutou nebo pevnou matrici, naplněný s plynnou fází, kde jeden ze dvou fáze má rozměry v nanoměřítku. Nanoporézní materiál je pevný materiál obsahující nanopóry , dutin ve formě otevřených nebo uzavřených pórů submikronových lengthscales. Nanokrystalického materiálu má významný podíl krystalových zrn v řádu nanometrů.

Nanopórovité materiály

Hlavní článek: Nanoporézní materiály

Termín nanoporézní materiály obsahuje podskupiny mikroporézních a mezoporézních materiálů. Mikroporézní materiály jsou porézní materiály se střední velikostí pórů menší než 2 nm, zatímco mezoporézní materiály jsou materiály s velikostí pórů v oblasti 2 až 50 nm. Mikroporézní materiály vykazují velikosti pórů se srovnatelným délkovým měřítkem s malými molekulami. Z tohoto důvodu mohou takové materiály sloužit cenným aplikacím včetně separačních membrán. Mezopórovité materiály jsou zajímavé pro aplikace, které vyžadují vysoké specifické povrchové plochy, a zároveň umožňují penetraci molekul, které mohou být příliš velké, aby se dostaly do pórů mikroporézního materiálu. V některých zdrojích jsou nanopórovité materiály a nanopěnidla někdy považovány za nanostruktury, ale ne za nanomateriály, protože pouze dutiny a ne samotné materiály jsou v nanoměřítku. I když definice ISO uvažuje pouze kruhové nano-objektů být nanočástice , jiné zdroje používat termín nanočástic pro všechny tvary.

Nanočástice

Hlavní článek: Nanočástice

Nanočástice mají na nanorozměru všechny tři rozměry. Nanočástice mohou být také vloženy do sypké pevné látky za vzniku nanokompozitu.


Fullereny

Hlavní článek: Fullerene

Fullereny jsou třídou allotropů uhlíku, což jsou koncepčně grafenové listy srolované do trubek nebo koulí. Patří sem uhlíkové nanotrubice (nebo křemíkové nanotrubičky ), které jsou zajímavé jednak kvůli své mechanické pevnosti, ale také kvůli svým elektrickým vlastnostem.

Otočný pohled na C 60 , jeden druh fullerenu

První objevenou molekulu fullerenu a jmenovec rodiny, buckminsterfullerene (C 60 ), připravili v roce 1985 Richard Smalley , Robert Curl , James Heath , Sean O'Brien a Harold Kroto na Rice University . Jméno bylo poctou Buckminsteru Fullerovi , jehož geodetické kopule připomíná. Od té doby bylo zjištěno, že se fullereny vyskytují v přírodě. Nedávno byly ve vesmíru detekovány fullereny.

Chemické a fyzikální vlastnosti fullerenů byly v posledním desetiletí horkým tématem v oblasti výzkumu a vývoje a pravděpodobně budou i nadále. V dubnu 2003 byly fullereny studovány pro potenciální lékařské použití : vazba specifických antibiotik na strukturu rezistentních bakterií a dokonce cílení na určité typy rakovinných buněk, jako je melanom . Vydání Chemie a biologie z října 2005 obsahuje článek popisující použití fullerenů jako antimikrobiálních látek aktivovaných světlem . V oblasti nanotechnologií patří mezi vlastnosti přitahující intenzivní výzkum tepelná odolnost a supravodivost .

Běžnou metodou používanou k výrobě fullerenů je odeslání velkého proudu mezi dvě blízké grafitové elektrody v inertní atmosféře. Výsledný oblouk uhlíkového plazmatu mezi elektrodami se ochlazuje na sazící zbytky, ze kterých lze izolovat mnoho fullerenů.

Existuje mnoho výpočtů, které byly provedeny pomocí kvantových metod ab-initio aplikovaných na fullereny. Pomocí metod DFT a TDDFT lze získat IR , Ramanova a UV spektra. Výsledky těchto výpočtů lze porovnat s experimentálními výsledky.

Nanočástice na bázi kovů

Anorganické nanomateriály (např. Kvantové tečky , nanodrátky a nanorodičky ) kvůli svým zajímavým optickým a elektrickým vlastnostem mohly být použity v optoelektronice . Optické a elektronické vlastnosti nanomateriálů, které závisí na jejich velikosti a tvaru, lze dále vyladit pomocí syntetických technik. Existují možnosti použití těchto materiálů v optoelektronických zařízeních na bázi organických materiálů, jako jsou organické solární články , OLED atd. Provozní principy těchto zařízení se řídí fotoindukovanými procesy, jako je přenos elektronů a přenos energie. Výkon zařízení závisí na účinnosti fotoindukovaného procesu zodpovědného za jejich fungování. Proto je k jejich použití v optoelektronických zařízeních nutné lepší porozumění těmto fotoindukovaným procesům v organických/anorganických nanomateriálových kompozitních systémech.

Nanočástice nebo nanokrystaly vyrobené z kovů, polovodičů nebo oxidů jsou zvláště zajímavé pro své mechanické, elektrické, magnetické, optické, chemické a další vlastnosti. Nanočástice byly použity jako kvantové tečky a jako chemické katalyzátory, jako jsou katalyzátory na bázi nanomateriálů . V poslední době se rozsáhle zkoumá řada nanočástic pro biomedicínské aplikace včetně tkáňového inženýrství , podávání léčiv , biosenzoru .

Nanočástice mají velký vědecký zájem, protože jsou účinným mostem mezi sypkými materiály a atomovými nebo molekulárními strukturami. Sypký materiál by měl mít konstantní fyzikální vlastnosti bez ohledu na jeho velikost, ale v nanoúrovni to často neplatí. Jsou pozorovány vlastnosti závislé na velikosti, jako je kvantová vazba v polovodičových částicích, povrchová plazmonová rezonance v některých kovových částicích a superparamagnetismus v magnetických materiálech.

Nanočástice vykazují ve vztahu k sypkému materiálu řadu zvláštních vlastností. Například k ohýbání hromadné mědi (drát, stuha atd.) Dochází při pohybu atomů/klastrů mědi v měřítku přibližně 50 nm. Nanočástice mědi menší než 50 nm jsou považovány za supertvrdé materiály, které nevykazují stejnou tvárnost a tažnost jako objemová měď. Změna vlastností není vždy žádoucí. Feroelektrické materiály menší než 10 nm mohou přepínat svůj polarizační směr pomocí tepelné energie o pokojové teplotě, což je činí nepoužitelnými pro ukládání paměti. Suspenze nanočástic je možná, protože interakce povrchu částic s rozpouštědlem je dostatečně silná, aby překonala rozdíly v hustotě , které obvykle vedou k tomu, že materiál klesá nebo plave v kapalině. Nanočástice mají často neočekávané vizuální vlastnosti, protože jsou dostatečně malé na to, aby omezovaly své elektrony a vytvářely kvantové efekty. Například zlaté nanočástice vypadají v roztoku tmavě červené až černé.

Poměr často velmi vysokého povrchu k objemu nanočástic poskytuje obrovskou hnací sílu pro difúzi , zejména při zvýšených teplotách. Slinování je možné při nižších teplotách a po kratší dobu než u větších částic. To teoreticky neovlivňuje hustotu konečného produktu, i když potíže s tokem a tendence nanočástic k aglomeraci věci komplikují. Povrchové efekty nanočástic také snižují počínající teplotu tání .

Jednorozměrné nanostruktury

Nejmenší možné krystalické dráty s průřezem tak malým jako jeden atom mohou být konstruovány ve válcovém uzavřeném prostoru. Jako šablonu pro syntézu lze použít uhlíkové nanotrubičky , přírodní semi-1D nanostrukturu. Uvěznění zajišťuje mechanickou stabilizaci a zabraňuje rozpadu lineárních atomových řetězců; jiné struktury 1D nanodrátů jsou mechanicky stabilní i po izolaci od šablon.

Dvourozměrné nanostruktury

2D materiály jsou krystalické materiály sestávající z dvojrozměrné jedné vrstvy atomů. Nejdůležitější reprezentativní grafen byl objeven v roce 2004. Tenké filmy s tloušťkami nanorozměrů jsou považovány za nanostruktury, ale někdy nejsou považovány za nanomateriály, protože neexistují odděleně od substrátu.

Hromadné nanostrukturované materiály

Některé sypké materiály obsahují vlastnosti v nanometru, včetně nanokompozitů , nanokrystalických materiálů , nanostrukturovaných filmů a nanotexturovaných povrchů .

Nanostruktura krabicového grafenu (BSG) je příkladem 3D nanomateriálu. Nanostruktura BSG se objevila po mechanickém štěpení pyrolytického grafitu . Tato nanostruktura je vícevrstvý systém rovnoběžných dutých nanočlánků umístěných podél povrchu a se čtyřúhelníkovým průřezem. Tloušťka stěn kanálu je přibližně rovna 1 nm. Typická šířka fazet kanálu činí asi 25 nm.

Aplikace

Hlavní článek: Aplikace nanotechnologie

Nano materiály se používají v řadě výrobních procesů, produktů a zdravotnictví, včetně barev, filtrů, izolací a maziv. Ve zdravotnictví jsou nanozymy nanomateriály s vlastnostmi podobnými enzymům . Jedná se o nově vznikající typ umělých enzymů , které byly použity pro široké spektrum aplikací, jako je biologické snímání, bioobrazování, diagnostika nádorů, antibiofouling a další. Pomocí nanostruktur lze vyrábět vysoce kvalitní filtry, které jsou schopné odstraňovat částice malé jako virus, jak je vidět ve vodním filtru vytvořeném společností Seldon Technologies. Membránový bioreaktor nanomateriálů (NMs-MBR), další generace konvenčních MBR , byl nedávno navržen pro pokročilé čištění odpadních vod. V oblasti čištění vzduchu byla v boji proti šíření MERS v saúdskoarabských nemocnicích v roce 2012 použita nano technologie . Nanomateriály se používají v moderních izolačních technologiích bezpečných pro člověka, v minulosti byly nalezeny v izolaci na bázi azbestu. Jako přísada do maziv mají nano materiály schopnost snižovat tření v pohybujících se částech. Opotřebené a zkorodované části lze také opravit pomocí samo-montážních anizotropních nanočástic zvaných TriboTEX. Nanomateriály byly také použity v řadě průmyslových odvětví a spotřebních produktů. Minerální nanočástice, jako je oxid titaničitý, byly použity ke zlepšení ochrany před UV zářením na opalovacích krémech. Ve sportovním průmyslu byly lehčí netopýři vyráběni s uhlíkovými nanotrubičkami pro zlepšení výkonu. Další aplikace je v armádě, kde byly mobilní pigmentové nanočástice použity k vytvoření efektivnější kamufláže. Nanomateriály lze také použít v aplikacích třícestných katalyzátorů (TWC). Převodníky TWC mají tu výhodu, že řídí emise oxidů dusíku (NOx), které jsou prekurzory kyselých dešťů a smogu. Ve struktuře jádro-plášť tvoří nanomateriály skořápku jako nosič katalyzátoru k ochraně vzácných kovů, jako je palladium a rhodium. Primární funkcí je, že nosiče lze použít k přenášení aktivních složek katalyzátorů, což je činí vysoce disperzními, snižuje použití vzácných kovů, zvyšuje aktivitu katalyzátorů a zlepšuje mechanickou pevnost.

Syntéza

Cílem jakékoli syntetické metody pro nanomateriály je poskytnout materiál, který vykazuje vlastnosti, které jsou výsledkem jejich charakteristické délky v rozsahu nanometrů (1 - 100 nm). Syntetická metoda by tedy měla vykazovat kontrolu velikosti v tomto rozmezí, aby bylo možné dosáhnout jedné nebo druhé vlastnosti. Metody jsou často rozděleny do dvou hlavních typů, „zdola nahoru“ a „shora dolů“.

Metody zdola nahoru

Metody zdola nahoru zahrnují sestavení atomů nebo molekul do nanostrukturovaných polí. Při těchto způsobech mohou být zdroje surovin ve formě plynů, kapalin nebo pevných látek. Ty vyžadují před jejich začleněním do nanostruktury nějaký druh demontáže. Metody zdola nahoru obecně spadají do dvou kategorií: chaotické a kontrolované.

Chaotické procesy zahrnují pozvednutí atomů nebo molekul složek do chaotického stavu a poté náhlé změny podmínek tak, aby byl tento stav nestabilní. Díky chytré manipulaci s libovolným počtem parametrů se produkty tvoří převážně v důsledku kinetiky pojištění. Kolaps z chaotického stavu může být obtížné nebo nemožné kontrolovat, a proto souborové statistiky často řídí výsledné rozložení velikosti a průměrnou velikost. V souladu s tím je tvorba nanočástic řízena manipulací s konečným stavem produktů. Příkladem chaotických procesů je laserová ablace, explodující drát, oblouk, pyrolýza plamenem, spalování a syntéza srážek.

Řízené procesy zahrnují řízené dodávání atomů nebo molekul složek do místa (míst) tvorby nanočástic tak, aby nanočástice mohla kontrolovaně růst do předepsaných velikostí. Obecně stav atomů nebo molekul jednotlivých složek není nikdy daleko od stavu potřebného pro tvorbu nanočástic. V souladu s tím je tvorba nanočástic řízena řízením stavu reaktantů. Příklady řízených procesů jsou samoregulační růstový roztok, samo-omezené chemické nanášení par , tvarované pulzní femtosekundové laserové techniky a epitaxe molekulárního paprsku .

Metody shora dolů

Metody shora dolů přijímají určitou „sílu“ (např. Mechanickou sílu, laser) k rozbití sypkých materiálů na nanočástice. Populární metoda zahrnuje mechanické rozbití sypkých materiálů na nanomateriály je „kulové mletí“. Kromě toho mohou být nanočástice vyrobeny také laserovou ablací, která aplikuje lasery s krátkými pulsy (např. Femtosekundový laser) k ablaci cíle (pevné látky).

Charakterizace

Hlavní články: Nanometrologie a charakterizace nanočástic

Nové efekty mohou nastat v materiálech, když jsou struktury vytvořeny s velikostmi srovnatelnými s některým z mnoha možných délkových měřítek , jako je de Broglieova vlnová délka elektronů nebo optické vlnové délky fotonů s vysokou energií. V těchto případech mohou kvantové mechanické efekty dominovat vlastnostem materiálu. Jedním z příkladů je kvantové vězení, kde jsou elektronické vlastnosti pevných látek měněny s velkým zmenšením velikosti částic. Optické vlastnosti nanočástic, např. Fluorescence , se také stávají funkcí průměru částic. Tento efekt nepůsobí přechodem od makroskopických rozměrů k mikrometrickým, ale je výraznější, když je dosaženo nanometrové stupnice.

Kromě optických a elektronických vlastností jsou předmětem výzkumu nanomechaniky nové mechanické vlastnosti mnoha nanomateriálů . Když se nanočástice přidají do sypkého materiálu, mohou silně ovlivnit mechanické vlastnosti materiálu, jako je tuhost nebo pružnost. Tradiční polymery mohou být například vyztuženy nanočásticemi (jako jsou uhlíkové nanotrubičky ), což vede k novým materiálům, které lze použít jako lehkou náhradu kovů. Takové kompozitní materiály mohou umožnit snížení hmotnosti doprovázené zvýšením stability a vylepšenou funkčností.

Nakonec se nanostrukturované materiály s malou velikostí částic, jako jsou zeolity a azbest , používají jako katalyzátory v celé řadě kritických průmyslových chemických reakcí. Další vývoj těchto katalyzátorů může tvořit základ účinnějších a ekologičtějších chemických procesů.

První pozorování a měření velikosti nanočástic bylo provedeno během první dekády 20. století. Zsigmondy provedl podrobné studie zlatých solů a dalších nanomateriálů o velikosti do 10 nm a méně. Vydal knihu v roce 1914. Použil ultramikroskop, který využívá metodu tmavého pole k vidění částic o velikosti mnohem menší než vlnová délka světla .

Existují tradiční techniky vyvinuté v průběhu 20. století v oblasti rozhraní a koloidní vědy pro charakterizaci nanomateriálů. Ty jsou široce používány pro pasivní nanomateriály první generace uvedené v následující části.

Tyto metody zahrnují několik různých technik pro charakterizaci distribuce velikosti částic . Tato charakteristika je nezbytná, protože mnoho materiálů, u nichž se očekává, že budou nano velikosti, je ve skutečnosti agregováno v roztocích. Některé z metod jsou založeny na rozptylu světla . Jiní používají ultrazvuk , například spektroskopii pro útlum ultrazvuku pro testování koncentrovaných nanodisperzí a mikroemulzí.

Existuje také skupina tradičních technik pro charakterizaci povrchového náboje nebo zeta potenciálu nanočástic v roztocích. Tyto informace jsou nutné pro správnou stabilizaci systému, aby se zabránilo její agregaci nebo flokulaci . Tyto metody zahrnují mikroelektroforézu , elektroforetický rozptyl světla a elektroakustiku . Poslední, například metoda koloidních vibračních proudů, je vhodná pro charakterizaci koncentrovaných systémů.

Jednotnost

Chemické zpracování a syntéza vysoce výkonných technologických komponent pro soukromý, průmyslový a vojenský sektor vyžaduje použití vysoce čisté keramiky , polymerů , sklokeramiky a materiálových kompozitů . U kondenzovaných těl vytvořených z jemných prášků vedou nepravidelné velikosti a tvary nanočástic v typickém prášku často k nejednotným morfologiím balení, které vedou ke změnám hustoty balení v práškovém kompaktu.

Nekontrolovaná aglomerace prášků v důsledku atraktivních van der Waalsových sil může také vést k mikrostrukturálním nehomogenitám. Diferenciální napětí, která se vyvíjejí v důsledku nerovnoměrného smrštění sušení, jsou přímo úměrná rychlosti, kterou lze rozpouštědlo odstranit, a jsou tedy vysoce závislá na distribuci pórovitosti . Taková napětí byla spojena s přechodem plastických hmot na křehké v konsolidovaných tělech a mohou vést k šíření trhlin v nevyhořelém tělese, pokud nejsou uvolněna.

Kromě toho jsou jakékoli výkyvy hustoty náplně v kompaktu, který je připraven pro pec, během procesu slinování často zesíleny , což vede k nehomogennímu zhutnění. Ukázalo se, že některé póry a jiné strukturní defekty spojené s variacemi hustoty hrají škodlivou roli v procesu slinování tím, že rostou a tím omezují hustoty koncových bodů. Rovněž bylo ukázáno, že diferenciální napětí vznikající z nehomogenního zhutnění vede k šíření vnitřních trhlin, čímž se stávají vadami kontrolujícími pevnost.

Proto by se zdálo žádoucí zpracovat materiál takovým způsobem, aby byl fyzicky rovnoměrný s ohledem na distribuci složek a porozitu, místo použití distribucí velikosti částic, které maximalizují zelenou hustotu. Zadržení rovnoměrně rozptýlené sestavy silně interagujících částic v suspenzi vyžaduje úplnou kontrolu nad interakcemi částice a částice. Řada dispergátorů, jako je citrát amonný (vodný) a imidazolin nebo oleylalkohol (nevodný), jsou slibnými řešeními jako možné přísady pro lepší disperzi a deaglomeraci. Monodisperzní nanočástice a koloidy tento potenciál poskytují.

Monodisperzní prášky koloidního oxidu křemičitého například mohou být proto dostatečně stabilizovány, aby byl zajištěn vysoký stupeň řádu v koloidním krystalu nebo polykrystalické koloidní pevné látce, který je výsledkem agregace. Zdá se, že míra pořadí je omezena časem a prostorem, který je povolen pro stanovení korelací delšího dosahu. Takové defektní polykrystalické koloidní struktury se zdají být základními prvky submikrometrické vědy o koloidních materiálech, a proto představují první krok ve vývoji důslednějšího chápání mechanismů zapojených do mikrostrukturní evoluce u vysoce výkonných materiálů a komponent.

Nanomateriály ve výrobcích, patentech a výrobcích

Kvantitativní analýza nanomateriálů ukázala, že nanočástice, nanotrubice, nanokrystalické materiály, nanokompozity a grafen byly uvedeny v článcích s indexem 400 000, 181 000, 144 000, 140000 a 119 000 ISI do září 2018. Pokud jde o patenty, nanočástice, nanotrubice, nanokompozity, grafen a nanodrátky hrály roli v 45 600 patentech, 32 100, 12 700, 1 200 000 a 1 800 patentech. Monitorování přibližně 7 000 komerčních produktů na bázi nano dostupných na globálních trzích odhalilo, že vlastnosti přibližně 2330 produktů byly povoleny nebo vylepšeny pomocí nanočástic. Liposomy, nanovlákna, nanokoloidy a aerogely byly také nejběžnějšími nanomateriály ve spotřebních výrobcích.

Evropská unie observatoř pro nanomateriály (EUON) vytvořila databázi ( NanoData ), který poskytuje informace o konkrétních patentů, produktů a výzkumných publikací o nanomateriály.

Zdraví a bezpečnost

Hlavní článek: Zdravotní a bezpečnostní rizika nanomateriálů

Pokyny Světové zdravotnické organizace

Světová zdravotnická organizace (WHO) zveřejnila na konci roku 2017 pokyny k ochraně pracovníků před potenciálním rizikem vyráběných nanomateriálů. WHO jako jednu ze svých hlavních zásad použila preventivní přístup. To znamená, že pokud existují rozumné náznaky, musí být expozice snížena, a to navzdory nejistotě ohledně nepříznivých účinků na zdraví. To je zdůrazněno nedávnými vědeckými studiemi, které prokazují schopnost nanočástic překonat buněčné bariéry a interagovat s buněčnými strukturami. Kromě toho byla hierarchie kontrol důležitou hlavní zásadou. To znamená, že pokud je na výběr mezi kontrolními opatřeními, měla by být vždy upřednostněna ta opatření, která jsou blíže kořenu problému, před opatřeními, která pro zaměstnance představují větší zátěž, jako je používání osobních ochranných prostředků (OOP). WHO zadala systematické přezkoumání všech důležitých otázek, aby posoudila současný stav vědy a informovala doporučení podle postupu stanoveného v Příručce WHO pro vypracování pokynů. Doporučení byla hodnocena jako „silná“ nebo „podmíněná“ v závislosti na kvalitě vědeckých důkazů, hodnotách a preferencích a nákladech souvisejících s doporučením.

Pokyny WHO obsahují následující doporučení pro bezpečné zacházení s vyrobenými nanomateriály (MNM)

A. Posoudit zdravotní rizika MNM

  1. WHO doporučuje přiřadit třídy nebezpečnosti všem MNM podle Globálně harmonizovaného systému (GHS) klasifikace a označování chemikálií pro použití v bezpečnostních listech. U omezeného počtu MNM jsou tyto informace k dispozici v pokynech (důrazné doporučení, důkazy střední kvality).
  2. WHO doporučuje aktualizovat bezpečnostní listy o informace o nebezpečnosti specifické pro MNM nebo uvést, u kterých toxikologických koncových bodů nebylo k dispozici dostatečné testování (důrazné doporučení, důkazy střední kvality).
  3. Pro skupiny dýchatelných vláken a granulovaných bioperzistentních částic GDG navrhuje použít dostupnou klasifikaci MNM pro prozatímní klasifikaci nanomateriálů stejné skupiny (podmíněné doporučení, důkaz nízké kvality).

B. Vyhodnoťte expozici MNM

  1. WHO navrhuje posoudit expozici pracovníků na pracovištích metodami podobnými těm, které se používají pro navrhovanou specifickou mezní hodnotu expozice na pracovišti (OEL) MNM (podmíněné doporučení, důkaz nízké kvality).
  2. Protože neexistují žádné specifické regulační hodnoty OEL pro MNM na pracovištích, WHO navrhuje posoudit, zda expozice na pracovišti překračuje navrhovanou hodnotu OEL pro MNM. Seznam navrhovaných hodnot OEL je uveden v příloze pokynů. Zvolený OEL by měl být alespoň stejně ochranný jako legálně nařízený OEL pro hromadnou formu materiálu (podmíněné doporučení, důkaz nízké kvality).
  3. Pokud konkrétní OEL pro MNM nejsou na pracovištích k dispozici, WHO navrhuje postupný přístup k inhalační expozici, nejprve posouzením potenciálu expozice; za druhé provedení základního posouzení expozice a za třetí provedení komplexního posouzení expozice, jaké navrhla Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD) nebo Comité Européen de Normalization (Evropský výbor pro normalizaci, CEN) (podmíněné doporučení, mírný důkaz kvality ).
  4. Pro hodnocení dermální expozice WHO zjistila, že neexistují dostatečné důkazy, které by doporučovaly jednu metodu hodnocení dermální expozice před jinou.

C. Kontrola expozice MNM

  1. Na základě preventivního přístupu WHO doporučuje zaměřit kontrolu expozice na prevenci expozice vdechnutí s cílem co nejvíce ji snížit (silné doporučení, důkazy střední kvality).
  2. WHO doporučuje snížit expozici na řadu MNM, které byly důsledně měřeny na pracovištích, zejména během čištění a údržby, shromažďování materiálu z reakčních nádob a přivádění MNM do výrobního procesu. Při absenci toxikologických informací WHO doporučuje zavést nejvyšší úroveň kontrol, aby se zamezilo jakémukoli vystavení pracovníků. Když je k dispozici více informací, WHO doporučuje zvolit si přizpůsobenější přístup (důrazné doporučení, důkazy střední kvality).
  3. WHO doporučuje přijmout kontrolní opatření založená na principu hierarchie kontrol, což znamená, že prvním kontrolním opatřením by mělo být odstranění zdroje expozice před zavedením kontrolních opatření, která jsou více závislá na zapojení pracovníků, přičemž OOP se používají pouze jako poslední možnost. Podle této zásady by technické kontroly měly být použity tam, kde je vysoká úroveň inhalační expozice nebo když nejsou k dispozici žádné toxikologické informace nebo jsou k dispozici jen velmi málo. Při absenci vhodných technických kontrol by měly být použity OOPP, zejména ochrana dýchacích cest, jako součást programu ochrany dýchacích cest, který zahrnuje testování vhodnosti (důrazné doporučení, důkazy střední kvality).
  4. WHO navrhuje předcházet dermální expozici pomocí hygienických opatření na pracovišti, jako je čištění povrchu a používání vhodných rukavic (podmíněné doporučení, důkaz nízké kvality).
  5. Pokud hodnocení a měření odborníkem na bezpečnost na pracovišti není k dispozici, WHO navrhuje použít k výběru opatření pro kontrolu expozice na pracovišti kontrolní pásmo pro nanomateriály. Vzhledem k nedostatku studií WHO nemůže doporučit jednu metodu páskování kontrol nad jinou (podmíněné doporučení, důkazy velmi nízké kvality).

Pokud jde o zdravotní dohled, WHO nemohla vydat doporučení pro cílené programy zdravotního dohledu specifické pro MNM ve vztahu ke stávajícím programům zdravotního dohledu, které se kvůli nedostatku důkazů již používají. WHO považuje školení pracovníků a zapojení pracovníků v otázkách bezpečnosti a ochrany zdraví za osvědčený postup, ale vzhledem k nedostatku dostupných studií by nemohla doporučit jednu formu školení pracovníků nad jinou nebo jinou formu zapojení pracovníků nad jinou. Očekává se, že dojde k značnému pokroku v validovaných metodách měření a hodnocení rizik, a WHO očekává, že tyto pokyny aktualizuje do pěti let, v roce 2022.

Jiné pokyny

Vzhledem k tomu, že nanotechnologie je nedávným vývojem, jsou účinky expozice nanomateriálům na zdraví a bezpečnost a jaké úrovně expozice mohou být přijatelné, předmětem probíhajícího výzkumu. Z možných nebezpečí se jeví jako největší obava expozice vdechnutí . Studie na zvířatech naznačují, že uhlíkové nanotrubice a uhlíková nanovlákna mohou způsobit plicní účinky včetně zánětu , granulomů a plicní fibrózy , které měly podobnou nebo větší účinnost ve srovnání s jinými známými fibrogenními materiály, jako je oxid křemičitý , azbest a ultrajemné saze . Akutní inhalační expozice zdravých zvířat biologicky rozložitelným anorganickým nanomateriálům neprokázala významné toxické účinky. Ačkoli není známo, do jaké míry mohou údaje o zvířatech předpovídat klinicky významné plicní účinky na pracovníky, toxicita pozorovaná v krátkodobých studiích na zvířatech naznačuje potřebu ochranných opatření pro pracovníky vystavené těmto nanomateriálům, i když žádné zprávy o skutečných nepříznivých účincích na zdraví u pracovníků používajících nebo vyrábějících tyto nanomateriály byly známy od roku 2013. Mezi další obavy patří kontakt s kůží a expozice při požití a nebezpečí výbuchu prachu .

Eliminace a substituce jsou nejžádanějšími přístupy ke kontrole nebezpečí . Zatímco samotné nanomateriály často nelze eliminovat nebo nahradit konvenčními materiály, je možné zvolit vlastnosti nanočástic, jako je velikost , tvar , funkcionalizace , povrchový náboj , rozpustnost , aglomerace a stav agregace, aby se zlepšily jejich toxikologické vlastnosti při zachování požadovanou funkčnost. Manipulační postupy lze také zlepšit, například použitím nanomateriálové suspenze nebo suspenze v kapalném rozpouštědle místo suchého prášku sníží expozici prachu. Inženýrské kontroly jsou fyzické změny na pracovišti, které izolují pracovníky od nebezpečí, zejména ventilačních systémů, jako jsou digestoře , schránky v palubní desce , skříně pro biologickou bezpečnost a ventilované váhy . Administrativní kontroly jsou změny v chování zaměstnanců za účelem zmírnění nebezpečí, včetně školení o osvědčených postupech pro bezpečné zacházení, skladování a odstraňování nanomateriálů, řádné povědomí o nebezpečích prostřednictvím označování a výstražných značek a podpora obecné kultury bezpečnosti . Osobní ochranné prostředky musí být nošeny na těle pracovníka a jsou nejméně žádoucí možností kontroly nebezpečí. Osobní ochranné prostředky běžně používané pro typické chemikálie jsou vhodné i pro nanomateriály, včetně dlouhých kalhot, košil s dlouhým rukávem a obuvi s uzavřenou špičkou a používání ochranných rukavic , brýlí a nepropustných laboratorních plášťů . Za určitých okolností mohou být použity respirátory .

Posouzení expozice je soubor metod používaných ke sledování uvolňování kontaminujících látek a expozice pracovníků. Tyto metody zahrnují osobní odběr vzorků, kde jsou vzorkovače umístěny v osobní dýchací zóně pracovníka, často připevněné k límci košile, aby byly co nejblíže nosu a ústům; a vzorkování oblastí/pozadí, kde jsou umístěny na statických místech. Při hodnocení by měly být použity oba čítače částic , které monitorují množství nanomateriálů a dalších částic pozadí v reálném čase; a vzorky na bázi filtrů, které lze použít k identifikaci nanomateriálu, obvykle pomocí elektronové mikroskopie a elementární analýzy . Od roku 2016 nebyly pro většinu nanomateriálů stanoveny kvantitativní limity expozice na pracovišti . Americký národní institut pro bezpečnost a ochranu zdraví stanovil neregulační doporučené expoziční limity pro uhlíkové nanotrubice , uhlíková nanovlákna a ultrajemný oxid titaničitý . Agentury a organizace z jiných zemí, včetně British Standards Institute a Institute for Occupational Safety and Health in Germany, have established OELs for some nanomaterials, and some companies have supply OELs for their products.

Viz také

Reference

externí odkazy