Właściwości nanocząstek

Nanomateriały oraz budujące je nanocząstki wykazują całkowicie odmienne właściwości aniżeli te same materiały w skali mikro i większej. Ze względu na rozmiar obiekty te podlegają zarówno prawom fizyki klasycznej jak i prawom fizyki kwantowej. Charakteryzują się one unikalnymi właściwościami: fizycznymi, optycznymi, fizykochemicznym, elektrycznymi oraz technicznymi [36]. I tak na przykład powszechnie uważane za bezpieczne związki w skali „makro” w postaci nanometrycznej mogą być niebezpieczne dla człowieka i działać np. jak trucizna. Niewątpliwym atutem nanocząstek jest właśnie ich niewielki rozmiar co daje im możliwość przenikania praktycznie przez każdą napotkaną barierę (także tą biologiczną). Z

str. 28 punktu widzenia medycyny właściwość ta daje ogromne możliwości w leczeniu wielu schorzeń. Kolejną charakterystyczną właściwością nanocząstek oraz nanomateriałów z nich zbudowanych jest silnie rozwinięta powierzchnia właściwa w porównaniu z klasycznymi materiałami. Cecha ta nadaje tym materiałom znakomite właściwości adsorpcyjne sprawiając, że zachowują się one w odmienny sposób w czasie eksploatacji aniżeli w tradycyjnym układzie. Inną charakterystyczną właściwością nanocząstek poza powierzchnią właściwą jest dużą powierzchnia międzyfazowa. Energia międzyfazowa na granicy ziaren silnie zależy od orientacji krystalograficznej. W nanomateriałach obserwuje się większe powinowactwo do innych atomów oraz zwiększoną dyfuzję na granicy ziaren. Inną charakterystyczną cechą nanomateriałów jest zwiększona odporność na odkształcenia plastyczne [40].

Ponadto materiały w skali „nano” charakteryzują się między innymi: - dużą twardością, np. w przypadku nanometrycznego niklu (porównywalną do uszlachetnionej stali),

- znaczną wytrzymałością na rozciąganie przy jednoczesnym wzroście plastyczności (jak np. nanometryczny krzem), odmiennie aniżeli w przypadku materiałów klasycznych, - wysoką odpornością na pełzanie,

- wysoką odpornością chemiczną,

- dobrą odpornością na ścieranie oraz odpornością ślizgową, - unikalnymi zdolnościami adsorpcyjnymi oraz absorpcyjnymi, - doskonałą biozgodnością,

- „superhydrofilowością” polegającą na doskonałym zwilżaniu nanomateriału przez wodę ( kąt zwilżania ok. 1deg.) [37,48,61]

Nanocząstki mogą mieć różną morfologię:

- rurek np. nanorurki węglowe jedno lub wielowarstwowe (rys. 10), - kulistą np. fulereny (rys. 11),

str. 29 Rysunek 10. Nanorurki: zamknięte warstwy atomów w kształcie walców. [63]

str. 30 Wśród nanomateriałów zbudowanych z obiektów nanometrycznych wyróżniamy materiały:

- punktowe („zerowymiarowe”),

- warstwowe (jedno lub dwuwymiarowe),

- nanokrystaliczne o charakterze homo- lub heterogenicznym (trójwymiarowe) [41, 47].

2.4.2.1. Właściwości nanocząstek wybranych tlenków metali typu: tlenek cynku (ZnO),

tlenek glinu (Al2O3), tlenek magnezu (MgO).

W pracach [7,8,60-62,68,69,43-45] badano właściwości nanocząstek wybranych tlenków metali typu: tlenek cynku (ZnO), tlenek glinu (Al2O3), tlenek magnezu (MgO).

Wykazano, że właściwości nanocząstek tlenków metali zależą od: metody ich syntezy, pierwotnych i aktualnych rozmiarów, kształtu i morfologii nanocząstek oraz ich rodzaju. Znany jest też związek pomiędzy strukturą nanocząstek i morfologią, a ich właściwościami. Dlatego też istnieje możliwość sterowania procesem produkcji nanotlenków w taki sposób, aby mogły być wykorzystywane w szerokim zakresie technologicznym w ramach zapotrzebowań oraz stawianych przez człowieka wymagań. [50]. Nanocząstki tlenków metali są konkurencyjnymi materiałami wykorzystywanymi szczególnie w dziedzinie chemii materiałowej ze względu na szereg potencjalnych zastosowań technologicznych tych związków. Między innymi są również wykorzystywane w takich dziedzinach jak: technologia informacyjna, magazynowanie energii i jej wykrywanie, kataliza, medycyna.

Tlenek cynku (ZnO) w postaci nanocząstek wykazuje szczególne właściwości między

innymi: - elektryczne,

- fotooptyczne (gdyż pochłania szkodliwe promieniowanie UV), - bakteriobójcze.

Z uwagi na wysoką aktywność chemiczną nanocząstki tlenku cynku są między innymi wykorzystywane do produkcji katalizatorów, filtrów, sensorów gazowych itp. [61,62]. Inną sferą ich zastosowania jest medycyna i biologia. Wykazują one bowiem właściwości bakteriobójcze natomiast ich krystaliczna postać jest wykorzystywana jako nośnik leków w organizmie ludzkim [41].

str. 31

Tlenek glinu (Al2O3) w postaci nanocząstek to nowoczesny materiał wykorzystywany

jako nośnik aktywnych faz w katalizie lub do powlekania materiałów.

Nanocząstki tlenku glinu występują w siedmiu odmianach polimorficznych. Dobre właściwości mechaniczne nanocząstek tlenku glinu związane są z wysoką odpornością na odkształcenia w wysokich temperaturach oraz dużą twardością. Prowadzone obecnie badania nad zachowaniem się nanometrycznego tlenku glinu wykazały, że jego właściwości zależą nie tylko od stanu powierzchni, lecz także od nanoporowatości oraz pierwotnej wielkości cząstek [49]. Nanocząstki tlenku glinu z uwagi na duży opór elektryczny i małą stałą dielektryczną mogą być stosowane jako izolator. Wymienić też należy ich odporność na korozję chemiczną. Mają one szerokie zastosowanie w ceramice, metalurgii proszków jako środek pomocniczy przy uzdatnianiu wody i dentystyce. Nanocząstki tlenku glinu znalazły również zastosowanie jako środek poprawiający właściwości trybologiczne w smarach itp. [51,52].

Zarówno nanocząstki ZnO jak i Al2O3 mają silnie rozwiniętą powierzchnię właściwą przez co wykazują bardzo dużą reaktywność. Cechy te wykorzystywane są w procesach katalitycznych takich jak np.: synteza wodoru, utlenianie. Są one też stosowane jako katalizatory reakcji przy produkcji benzyny. Poza tym oba nanotlenki posiadają zdolność do pochłaniania promieniowania nadfioletowego. Nanocząstki tlenku glinu w postaci nanowłókien wykorzystywane są jako materiały zbrojeniowe w materiałach kompozytowych [48].

Tlenek magnezu (MgO) w postaci nanocząstek charakteryzuje zazwyczaj regularny

kształt (np. sześcianu lub włókna). Zaletą nanocząstek tlenku magnezu jest ich: duża energia powierzchniowa, stabilność powierzchni, stabilność termiczna oraz reaktywność chemiczna. Wykazują one również wysoki stopień uporządkowania. Ich energia powierzchniowa sprawia, że są one materiałem konkurencyjnym, wykorzystywanym między innymi w przemyśle elektronicznym (np. na czujniki) i w przemyśle chemicznym (jako katalizatory, płuczki usuwające zanieczyszczenia powietrza itp. [49]). Wymienione powyżej właściwości nanocząstek i zbudowanych na ich bazie nanomateriałów decydują o ich konkurencyjności na rynku. Wynika stąd duże zainteresowanie przez większość branż przemysłu [47].

2.4.2.2. Możliwości zastosowania nanocząstek w przemyśle odlewniczym

Przemysł odlewniczy również wykorzystuje nanocząstki między innymi w masach formierskich oraz w technologii wytapianych modeli [8,9].

W masach formierskich nanocząstki wykorzystywane są jako jeden ze składników spoiw organicznych [41].

str. 32 Zarówno udział jak i parametry wprowadzanych nanocząstek do matrycy kompozytu w znaczący sposób wpływają na jego właściwości mechaniczne jak również właściwości termiczne i elektryczne.

Jako przykład mogą posłużyć nanokompozyty, w których matrycą są polimery (np. żywica epoksydowa) z nanocząstkami ceramicznymi (np. SiO2, Al2O3, CaSiO3) {[54],rys. 12}. Badania SEM, XRD, FTIR przedstawione w pracach [53-56] wykazały, że morfologia, ilość, wielkość i homogeniczność wprowadzanej fazy nanocząstek do matrycy polimeru w znaczący sposób wpływa na jego właściwości:

- mechaniczne, - termiczne,

- elektryczne: dielektryczne.

Rysunek 12 przedstawia fotografię żywicy epoksydowej modyfikowanej nanorurkami węglowymi [41].

Rysunek 12. Żywica epoksydowa modyfikowana nanorurkami węglowymi. [41]

Nanocząstki znalazły również zastosowanie jako modyfikatory spoiw organicznych i nieorganicznych stosowanych w odlewnictwie. W TMW stosowana jest krzemionka koloidalna (o nazwie handlowej „LUDOX SK”, „LUDOX AM”; rys. 13 a i b) jako składnik masy ceramicznej, z której wykonuje się masy ceramiczne.

str. 33 Rysunek 13. Krzemionka koloidalna o nazwie handlowej owej „LUDOX SK”, „LUDOX AM”. [39]

Nowsze badania wskazują również na możliwość wykorzystania nanocząstek do modyfikacji powierzchni wosku jak również modyfikacji szkła wodnego. Badania przedstawione w pracy [8,9] pokazały możliwość wykorzystania nanocząstek w postaci koloidalnej zawiesiny w estrach do modyfikacji hydrofobowej powierzchni wosku, dzięki czemu uzyskuje się dobrą zwilżalność powierzchni modelu woskowego przez ciekłą masę ceramiczną a w konsekwencji dokładniejszą odtwarzalność powierzchni wytworzonego odlewu.

W przypadku modyfikacji szkła wodnego dodatek nanocząstek pozwolił na obniżenie udziału tego spoiwa w masie przy równoczesnej poprawie wybijalności masy [61,69].

W metalurgii ciekłofazowej wytwarzane są nowoczesne materiały nanokrystaliczne takie, jak np.:

- stopy AlSi25 (w których występują nanofazy typu S-Al2CuMg oraz S’-Al2CuMg o wymiarach ok. 50nm),

- stopy aluminium z litem (z wydzieleniami nanofaz np. β’-Al3Li o wymiarach rzędu 15nm), - stopy Ni-Al,

str. 34 Badania strukturalne siluminów modyfikowanych sodem oraz strontem potwierdziły obecność nanocząstek krzemu w postaci włóknistej oraz płatkowej. Natomiast silumin typu AlSi25 modyfikowany fosforem posiada w strukturze nanofazy glinowo-fosforowe typu AlP. W stopach typu Al-Fe-Si pod wpływem modyfikacji cyrkonem oraz wanadem w nanostrukturze występują aluminidy żelaza. W stopach łożyskowych np. Cu-Pb w wyniku szybkiego przechłodzenia następuje rozdrobnienie struktury oraz pojawienie się równomiernie usytuowanych nanocząstek ołowiu (o wymiarach 5-20nm) w osnowie aluminiowej. Materiały nanokrystaliczne są również stosowane w modyfikacji stopów aluminium. Odpowiednio dobrane modyfikatory nowej generacji odznaczają się niezwykłą efektywnością w rozdrabnianiu mikrostruktury stopów aluminium. Na rysunku 14 przedstawiono przykładowe wyroby z nanomateriałów wykorzystywanych w fizyce jądrowej mające krystaliczną strukturę oraz połysk metaliczny [38].

Rysunek 14. Przykładowe wyroby z nanomateriałów stosowane w fizyce jądrowej. [38]

Do wytwarzana nanometali np. Ti, Fe, Cu wykorzystuje się nowe techniki. Polegają one między innymi na: przeciskaniu przez kanał kątowy (ECAE), skręcaniu pod wysokim ciśnieniem (HPT), cyklicznym walcowaniu łączonym, cyklicznym wyciskaniu ściskającym,

str. 35 wielokrotnym kuciu, przeciskaniu kątowym z wyciskaniem. Wytworzone wymienionymi metodami nanometale posiadają konkurencyjne właściwości mechaniczne względem klasycznych metali. Mają one np. znacznie wyższą wartość granicy plastyczności wynoszącej przykładowo dla nanotytanu powyżej 1000MPa [41].