Νανοϋλικά

Νανοϋλικά (αγγλ. Nanomaterials) είναι εκείνα τα υλικά, των οποίων μια θεμελιώδης (δομική) μονάδα έχει μέγεθος (σε τουλάχιστον μια διάσταση) μεταξύ 1 και 100 νανομέτρων (10−9 μέτρων) (ο συνήθης ορισμός της νανοκλίμακας)).

Η αναζήτηση νανοϋλικών παίρνει μια προσέγγιση με βάση την επιστήμη των υλικών προς τη νανοτεχνολογία, αξιοποιεί τις προόδους στη μετρολογία των υλικών και τη σύνθεση που έχουν αναπτυχθεί με υποστήριξη της έρευνας της μικροκατασκευαστικής. Τα υλικά με δομή στη νανοκλίμακα έχουν συχνά μοναδικές οπτικές, ηλεκτρονικές ή μηχανικές ιδιότητες. 

Φυσικά νανοϋλικά
Τα βιολογικά συστήματα χαρακτηρίζονται συχνά από φυσικά, λειτουργικά νανοϋλικά. Η δομή των τρηματοφόρων και των καψιδίων ιών, οι κρύσταλλοι κεριού που καλύπτουν έναν λωτό ή ένα φύλλο τροπαίολου, αράχνης και μεταξιού του τετράνυχου (spider-mite silk),Novel natural nanomaterial spins off from spider-mite genome sequencing. Phys.Org (May 23, 2013) η "σπαθίδα" στον πυθμένα των ποδιών των σαυρών γκέκο (gecko), κάποια  φτερά σε πεταλούδες, φυσικά κολλοειδή (γάλα, αίμα), υλικά όπως (δέρμα, νύχια, ράμφη, φτερά, κέρατα, τρίχα), χαρτί, βαμβάκι, μάργαρο, κοράλλια κι ακόμα οι δικοί μας οστεώνες είναι όλοι φυσικά οργανικά νανοϋλικά.

Φυσικά ανόργανα νανοϋλικά υπάρχουν μέσα από την κρυσταλλική ανάπτυξη σε διάφορες χημικές συνθήκες του φλοιού της γης. Παραδείγματος χάρη, οι άργιλοι εμφανίζουν σύμπλοκες νανοδομές λόγω της ανισοτροπίας της υποκείμενης κρυσταλλικής τους δομής και η ηφαιστειακή δραστηριότητα μπορεί να προκαλέσει τα οπάλια, που είναι ένα στιγμιότυπο μιας φυσικής εμφάνισης φωτονικών κρυστάλλων λόγω της δομής τους σε νανοκλίμακα. Οι πυρκαγιές αντιπροσωπεύουν ιδιαίτερα σύνθετες αντιδράσεις και μπορούν να παραγάγουν χρωστικές, τσιμέντο, ατμίζον διοξείδιο του πυριτίου (fumed silica) κλπ.

Συνθετικά νανοϋλικά
Το πεδίο των νανοϋλικών είναι οργανωμένο χαλαρά, όπως το παραδοσιακό πεδίο της χημείας, σε οργανικά νανοϋλικά (με βάση τον άνθρακα) όπως τα φουλερένια και ανόργανα νανοϋλικά με βάση άλλα στοιχεία, όπως το πυρίτιο.

Φουλερένια (Fullerenes)

Τα φουλερένια είναι μια τάξη από αλλότροπα του άνθρακα που εννοιολογικά είναι φύλλα γραφενίου τυλιγμένα σε σωληνάρια ή σφαίρες. Αυτά περιλαμβάνουν νανοσωλήνες άνθρακα (ή νανοσωλήνες πυριτίου) που είναι ενδιαφέροντες και λόγω της μηχανικής τους αντοχής και λόγω των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων.

Οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των φουλερενίων έχουν γίνει ένα καυτό θέμα στο πεδίο της έρευνας και της ανάπτυξης και είναι πιθανό να εξακολουθήσουν να είναι για πολύ καιρό ακόμα. Τον Απρίλιο του 2003, τα φουλερένια μελετήθηκαν για τη δυνητική ιατρική χρήση: σύνδεση ειδικών αντιβιοτικών με τη δομή ανθεκτικών βακτηρίων και ακόμα στόχοι συγκεκριμένων τύπων καρκίνου κυττάρων όπως το μελάνωμα. Τον Οκτώβριο του 2005 περιγράφεται σε ένα άρθρο η χρήση των φουλερενίων ως αντιμικροβιακών παραγόντων που ενεργοποιούνται από το φως. Στο πεδίο της νανοτεχνολογίας, η θερμική αντίσταση και η υπεραγωγιμότητα είναι μεταξύ των ιδιοτήτων που προσελκύουν έντονη έρευνα.

Μια συνήθης μέθοδος που χρησιμοποιείται στην παραγωγή φουλερενίων είναι η αποστολή μεγάλου ρεύματος μεταξύ δύο γειτονικών ηλεκτροδίων γραφίτη σε αδρανή ατμόσφαιρα. Το τελικό τόξο πλάσματος άνθρακα μεταξύ των ηλεκτροδίων ψύχεται σε καπνισμένο υπόλειμμα από το οποίο πολλά φουλερένια μπορούν να απομονωθούν.

Υπάρχουν πολλοί υπολογισμοί που έχουν γίνει χρησιμοποιώντας εξαρχής κβαντικές μεθόδους που εφαρμόστηκαν σε φουλερένια. Με τις μεθόδους της θεωρίας της συναρτησιακής πυκνότητας (Density functional theory ή DFT) και TDDFT μπορεί κάποιος να πάρει υπέρυθρα και υπεριώδη φάσματα, καθώς και φάσματα Ράμαν. Τα αποτελέσματα τέτοιων υπολογισμών μπορούν να συγκριθούν με πειραματικά αποτελέσματα.

Νανοσωματίδια

Ανόργανα νανοϋλικά, (π.χ. κβαντικές κουκκίδες, νανοσύρματα και νανοράβδοι) λόγω των ενδιαφερουσών οπτικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην οπτικοηλεκτρονική. Επιπλέον, οι οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοϋλικών που εξαρτώνται από το μέγεθός τους και το σχήμα τους μπορούν να ρυθμιστούν μέσω συνθετικών τεχνικών. Υπάρχουν οι δυνατότητες να χρησιμοποιηθούν τα νανοϋλικά σε άλλα οργανικά υλικά με βάση οπτικοηλεκτρονικές συσκευές όπως οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία, οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLEDs) κλπ. Οι αρχές λειτουργίας τέτοιων υλικών διακατέχονται από φωτοεπαγόμενες  διεργασίες όπως φωτοεπαγόμενη μεταφορά ηλεκτρονίου και μεταφορά ενέργειας. Η απόδοση των συσκευών εξαρτάται από την αποτελεσματικότητα της φωτοεπαγόμενης διεργασίας που είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία τους. Συνεπώς, μια καλύτερη κατανόηση αυτών των φωτοεπαγόμενων διεργασιών σε οργανικά/ανόργανα συστήματα σύνθετων νανοϋλικών είναι απαραίτητη για να χρησιμοποιηθούν σε οργανικές οπτικοηλεκτρονικές συσκευές.

Νανοσωματίδια ή νανοκρύσταλλοι κατασκευασμένοι από μέταλλα, ημιαγωγούς, ή οξείδια παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον για τις μηχανικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές, οπτικές, χημικές και άλλες ιδιότητές τους. Τα νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί ως κβαντικές κουκκίδες και ως χημικοί καταλύτες όπως σε νανοϋλικά με βάση καταλύτες.

Τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον επειδή είναι μια γέφυρα μεταξύ χύμα υλικών και ατομικών ή μοριακών δομών. Ένα χύμα υλικό πρέπει να έχει σταθερές φυσικές ιδιότητες ανεξάρτητα από το μέγεθός του, αλλά στην νανοκλίμακα αυτό συχνά δεν συμβαίνει. Παρατηρούνται ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθος όπως κβαντικοί περιορισμοί σε σωματίδια ημιαγωγού, διέγερση επιφανειακών πλασμονίων σε κάποια μεταλλικά σωματίδια και υπερπαραμαγνητισμός σε μαγνητικά υλικά.

Τα νανοσωματίδια εμφανίζουν έναν αριθμό ειδικών ιδιοτήτων σχετικά με τα χύμα υλικά. Παραδείγματος χάρη, η κάμψη του χύμα χαλκού (σύρματος, ταινίας, κλπ.) συμβαίνει με την κίνηση των ατόμων/συστάδων χαλκού στην κλίμακα των περίπου 50 nm. Τα νανοσωματίδια του χαλκού που είναι μικρότερα από 50 nm θεωρούνται πολύ σκληρά υλικά, που δεν εμφανίζουν την ίδια ελατότητα και ολκιμότητα όπως ο χύμα χαλκός. Η αλλαγή στις ιδιότητες δεν είναι πάντα επιθυμητή. Σιδηροηλεκτρικά υλικά μικρότερα από 10 nm μπορεί να αλλάξουν την κατεύθυνση μαγνήτισης τους χρησιμοποιώντας τη θερμική ενέργεια θερμοκρασίας δωματίου, κάνοντας τα συνεπώς άχρηστα για αποθήκευση μνήμης. Τα αιωρήματα των νανοσωματιδίων είναι δυνατά, επειδή η αλληλεπίδραση της επιφάνειας του σωματιδίου με τον διαλύτη είναι αρκετά ισχυρή, ώστε να ξεπεράσει διαφορές στην πυκνότητα, που συνήθως καταλήγει σε ένα υλικό που είτε βυθίζεται είτε επιπλέει σε ένα υγρό. Τα νανοσωματίδια έχουν συχνά αναπάντεχες οπτικές ιδιότητες επειδή είναι αρκετά μικρά για να περιορίσουν τα ηλεκτρόνια τους και να παραγάγουν κβαντικά φαινόμενα. Παραδείγματος χάρη τα νανοσωματίδια χρυσού εμφανίζονται βαθιά κόκκινα προς μαύρα σε διάλυμα.

Ο συχνά πολύ υψηλός λόγος εμβαδού επιφάνειας προς όγκο των νανοσωματιδίων δίνει μια τεράστια κινητήρια δύναμη για διάχυση, ιδιαίτερα σε πιο υψηλές θερμοκρασίες. Πυροσυσσωμάτωση είναι δυνατή σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και για μικρότερες διάρκειες παρά για μεγαλύτερα σωματίδια. Αυτό, θεωρητικά, δεν επηρεάζει την πυκνότητα του τελικού προϊόντος, αν και οι δυσκολίες ροής και η τάση των νανοσωματιδίων να  συσσωρεύονται περιπλέκει το θέμα. Τα επιφανειακά φαινόμενα των νανοσωματιδίων μειώνουν επίσης την αρχική θερμοκρασία τήξης.

Σύνθεση

Ο σκοπός οποιασδήποτε συνθετικής μεθόδου για τα νανοϋλικά είναι να δώσει ένα υλικό που εμφανίζει ιδιότητες που είναι αποτέλεσμα της χαρακτηριστικής κλίμακας μεγέθους τους που είναι στην περιοχή του νανομέτρου (~1 – 100 nm).  Συνεπώς, η συνθετική μέθοδος πρέπει να παρουσιάζει έλεγχο του μεγέθους σε αυτήν την περιοχή, έτσι ώστε να επιτευχθεί μια αντίστοιχη ιδιότητα. Συχνά οι μέθοδοι διαιρούνται σε δύο κύριους τύπους "επαγωγικούς (Bottom Up)" και "απαγωγικούς ή παραγωγικούς (Top Down)."

 Επαγωγικές μέθοδοι (Bottom up methods) 

Οι επαγωγικές μέθοδοι (από κάτω προς τα πάνω) περιλαμβάνουν τη συγκέντρωση των ατόμων ή μορίων σε νανοδομικές διατάξεις. Σε αυτές τις μεθόδους οι πρώτες ύλες μπορεί να είναι στη μορφή αέριων, υγρών ή στερεών. Απαιτείται, επίσης, κάποιο είδος αποδιοργάνωσης πριν την ενσωμάτωσή τους σε μια νανοδομή. Αυτές οι μέθοδοι εμπίπτουν γενικά σε δύο κατηγορίες: χαοτικές και ελεγχόμενες.

 Χαοτικές διεργασίες 

Οι χαοτικές διεργασίες εμπεριέχουν την ανύψωση των συστατικών ατόμων ή μορίων σε μια χαοτική κατάσταση και έπειτα ξαφνικά αλλαγή των συνθηκών, έτσι ώστε να γίνει αυτή η κατάσταση ασταθής. Μέσα από την έξυπνη διαχείριση οποιουδήποτε αριθμού παραμέτρων σχηματίζονται εκτενώς προϊόντα, ως αποτέλεσμα της ασφαλούς κινητικής. Η μετάβαση από την χαοτική κατάσταση μπορεί να είναι δύσκολο ή αδύνατο να ελεγχθεί και έτσι η συνολική στατιστική, συχνά, διέπει την τελική κατανομή μεγέθους και το μέσο μέγεθος. Συνεπώς, ο έλεγχος του σχηματισμού νανοσωματιδίων ελέγχεται μέσα από τη διαχείριση της τελικής κατάστασης των προϊόντων.

Παραδείγματα χαοτικών διεργασιών είναι: αφαίρεση με λέιζερ (Laser ablation), εκρηγνυόμενο σύρμα (Exploding wire), τόξο, πυρόλυση φλόγας (Flame pyrolysis), καύση, τεχνικές σύνθεσης με καθίζηση.

 Ελεγχόμενες διεργασίες 

Οι ελεγχόμενες διεργασίες περιέχουν την ελεγχόμενη μετάβαση των συστατικών ατόμων ή μορίων στις θέσεις του σχηματισμού νανοσωματιδίων, έτσι ώστε τα νανοσωματίδια να μπορούν να αναπτυχθούν στα προκαθορισμένα μεγέθη με ελεγχόμενο τρόπο. Γενικά, η κατάσταση των συστατικών ατόμων η μορίων δεν είναι ποτέ μακριά από την απαιτούμενη για τον σχηματισμό νανοσωματιδίων. Άρα, ο σχηματισμός νανοσωματιδίων ελέγχεται μέσω του ελέγχου της κατάστασης των αντιδρώντων.

Παραδείγματα ελεγχόμενων διεργασιών είναι: αυτοπεριοριζόμενο διάλυμα ανάπτυξης (Self-limiting growth solution), αυτοπεριοριζόμενη χημική κατακρήμνιση ατμού (Self-limiting chemical vapor precipitation), τεχνικές λέιζερ φεμπτοδευτερολέπτου μορφοποιημένου παλμού (Shaped pulse femtosecond laser techniques), επιταξία μοριακής δέσμης (Molecular beam epitaxy).

 Απαγωγικές μέθοδοι (Top down methods) 
Η γνώση των διεργασιών για επαγωγική οργάνωση των δομών παραμένει σε αρχικά στάδια συγκριτικά με τις παραδοσιακές κατασκευαστικές τεχνικές. Ως αποτέλεσμα, τα πιο ώριμα προϊόντα της νανοτεχνολογίας (όπως τα σύγχρονα CPUs) βασίζονται πολύ σε απαγωγικές διεργασίες για τον καθορισμό των δομών. Ένα παραδοσιακό παράδειγμα μιας απαγωγικής τεχνικής για την κατασκευή είναι η λιθογραφία, στην οποία χρησιμοποιούνται όργανα (όπως ένα σύγχρονος αποτυπωτής (stepper)) για να κλιμακώσουν ένα μακροσκοπικό σχέδιο στη νανοκλίμακα.

Χαρακτηρισμός
Νέα φαινόμενα μπορούν να συμβούν σε υλικά όταν σχηματίζονται δομές με συγκρίσιμα μεγέθη με οποιαδήποτε από τα πολλές δυνατές κλίμακες μήκους (length scale), όπως το μήκος κύματος ντε Μπρολί (de Broglie wavelength) των ηλεκτρονίων, ή τα οπτικά μήκη κύματος των φωτονίων υψηλής ενέργειας. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής μπορεί να κυριαρχήσουν στις ιδιότητες των υλικών. Ένα παράδειγμα είναι ο κβαντικός περιορισμός, όπου οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των στερεών μεταβάλλονται με μεγάλες μειώσεις στο μέγεθος των σωματιδίων. Οι οπτικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων, π.χ. φθορισμός, γίνονται επίσης συνάρτηση της διαμέτρου του σωματιδίου. Αυτό το φαινόμενο δεν εμφανίζεται κατά την αλλαγή από μακροσκοπικές σε μικρομετρικές διαστάσεις, αλλά γίνεται έντονο όταν επιτυγχάνεται η νανομετρική κλίμακα.

Πέρα από τις οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες, οι νέες μηχανικές ιδιότητες πολλών νανοϋλικών είναι αντικείμενο της νανομηχανικής έρευνας. Όταν προστίθενται σε ένα χύμα υλικό, τα νανοσωματίδια μπορούν να επηρεάσουν έντονα τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού, όπως η ακαμψία ή η ελαστικότητα. Παραδείγματος χάρη, παραδοσιακά  πολυμερή μπορεί να ενισχυθούν με νανοσωματίδια (όπως νανοσωλήνες άνθρακα) έχοντας ως αποτέλεσμα καινοτόμα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντικαταστάτες ελαφρών βαρών αντί για μέταλλα. Τέτοια σύνθετα υλικά μπορούν να πετύχουν μείωση βάρους συνοδευόμενη με αύξηση στη σταθερότητα και βελτιωμένη λειτουργικότητα.Ramsden, J.J. (2011) Nanotechnology: An Introduction, Elsevier, Amsterdam

Τέλος, τα νανοδομημένα υλικά με μικρό μέγεθος σωματιδίων όπως οι ζεόλιθοι και ο αμίαντος χρησιμοποιούνται ως καταλύτες σε ένα ευρύ φάσμα κρίσιμων βιομηχανικά χημικών αντιδράσεων. Η παραπέρα ανάπτυξη τέτοιων καταλυτών μπορεί να σχηματίσει τη βάση πιο αποτελεσματικών, περιβαλλοντικά φιλικών χημικών διεργασιών.

Οι πρώτες παρατηρήσεις και μετρήσεις μεγέθους των νανοσωματιδίων έγιναν κατά τη διάρκεια της πρώτης δεκαετίας του 20ου αιώνα. Ο Ζιγκμόντι (Zsigmondy) έκανε λεπτομερείς μελέτες κολλοειδούς χρυσού (Gold Sol) και άλλων νανοϋλικών με μεγέθη μέχρι 10 nm και λιγότερο. Δημοσίευσε ένα βιβλίο το 1914.Zsigmondy, R. (1914) "Colloids and the Ultramicroscope", J. Wiley and Sons, NY Χρησιμοποίησε ένα υπερμικροσκόπιο με τη μέθοδο σκοτεινού πεδίου για να δει τα σωματίδια με μεγέθη πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός.

Υπάρχουν παραδοσιακές τεχνικές που αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα στην επιστήμη των διεπιφανειών και κολλοειδών για να χαρακτηρίσουν τα νανοϋλικά. Αυτές χρησιμοποιήθηκαν εκτενώς για την πρώτη γενιά παθητικών νανοϋλικών που ορίζονται στην επόμενη ενότητα.

Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν αρκετές διαφορετικές τεχνικές χαρακτηρισμού της κατανομής μεγέθους σωματιδίων. Αυτός ο χαρακτηρισμός είναι επιτακτικός επειδή πολλά υλικά που αναμενόταν να έχουν μέγεθος νανομέτρων συσσωρεύονται στην πραγματικότητα σε διαλύματα. Μερικές μέθοδοι βασίζονται στη σκέδαση του φωτός. Άλλες εφαρμόζουν υπερήχους, όπως φασματοσκοπία εξασθένησης υπερήχων (ultrasound attenuation spectroscopy) για να ελέγξουν συμπυκνωμένες νανοδιασπορές και μικρογαλακτώματα.

Υπάρχει επίσης μια ομάδα παραδοσιακών τεχνικών για χαρακτηρισμό του επιφανειακού φορτίου (surface charge) ή δυναμικού ζήτα (zeta potential) των νανοσωματιδίων σε διαλύματα. Αυτή η πληροφορία απαιτείται για κατάλληλη σταθεροποίηση του συστήματος, αποτρέποντας την συσσωμάτωση του ή κροκίδωσή του. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν μικροηλεκτροφόρηση (microelectrophoresis), ηλεκτροφορητική σκέδαση φωτός (electrophoretic light scattering) και ηλεκτροακουστικής. Το ρεύμα δόνησης κολλοειδούς (colloid vibration current), είναι κατάλληλο για χαρακτηρισμό συμπυκνωμένων διαλυμάτων.

Ομοιομορφία
Η χημική διεργασία και σύνθεση των υψηλής απόδοσης τεχνολογικών συστατικών για τον ιδιωτικό, βιομηχανικό και στρατιωτικό τομέα απαιτεί τη χρήση υψηλής καθαρότητας κεραμικών υλικών, πολυμερών, υαλοκεραμικών (glass-ceramic) και σύνθετων υλικών. Σε συμπυκνωμένα σώματα που σχηματίζονται από λεπτές σκόνες, τα ακανόνιστα μεγέθη και σχήματα των νανοσωματιδίων σε μια τυπική σκόνη οδηγεί συχνά σε μη ομοιόμορφες μορφολογίες συσκευασίας που καταλήγουν σε διακυμάνσεις της πυκνότητας συσκευασίας στη συμπαγή σκόνη.

Μη ελεγχόμενη συσσωμάτωση από σκόνες λόγω των ελκτικών δυνάμεων Βαν ντερ Βάαλς μπορεί επίσης να αυξήσει τις μικροδομικές ανομοιογένειες. Διαφορετικές τάσεις που αναπτύσσονται ως αποτέλεσμα ανομοιόμορφης συστολής ξήρανσης συσχετίζονται άμεσα με τον λόγο στον οποίο μπορεί να αφαιρεθεί ο διαλύτης και συνεπώς εξαρτώνται πολύ από την κατανομή του πορώδους. Τέτοιες τάσεις έχουν συσχετιστεί με μετάπτωση από πλαστικό σε εύθρυπτο για συμπαγή σώματα και μπορούν να προκαλέσουν διάδοση ρωγμών στο σώμα αν δεν εκτονωθούν.

Επιπλέον, οποιεσδήποτε διακυμάνσεις στην πυκνότητα συσκευασίας του συμπαγούς υλικού καθώς παρασκευάζεται για την κάμινο, ενισχύονται συχνά κατά τη διάρκεια της διεργασίας πυροσυσσωμάτωσης, παράγοντας ανομοιογενή πύκνωση. Μερικοί πόροι και άλλα δομικά ελαττώματα συσχετίζονται με διακυμάνσεις πυκνότητας και φαίνεται να παίζουν έναν επιζήμιο ρόλο στην διεργασία πυροσυσσωμάτωσης αυξάνοντας και συνεπώς περιορίζοντας τις πυκνότητες τελικού σημείου. Διαφορετικές τάσεις που προκύπτουν από ανομοιογενή πύκνωση έχουν, επίσης, δείξει ότι καταλήγουν στην διάδοση των εσωτερικών ρωγμών και γίνονται συνεπώς ελαττώματα στον έλεγχο της δύναμης.

Φαίνεται, λοιπόν, ότι είναι επιθυμητό να επεξεργάζεται ένα υλικό κατά τέτοιον τρόπο που να είναι φυσικώς ομοιόμορφο ως προς την κατανομή των συστατικών και του πορώδους, αντί να χρησιμοποιούνται κατανομές μεγέθους σωματιδίου που θα μεγιστοποιήσουν την πράσινη πυκνότητα. Ο περιορισμός μιας ομοιόμορφα διεσπαρμένης συγκέντρωσης των ισχυρά αλληλεπιδρώντων σωματιδίων σε αιώρηση απαιτεί πλήρη έλεγχο στις αλληλεπιδράσεις σωματιδίου-σωματιδίου. Θα πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι ο αριθμός των διασκορπιστών (dispersants) όπως το κιτρικό αμμώνιο (υδατικό) και της ιμιδαζολίνης ή της ελαϊκής αλκοόλης (μη υδατικά) είναι ελπιδοφόρα διαλύματα ως πιθανά πρόσθετα για βελτιωμένη διασπορά και αποσυσσωμάτωση (deagglomeration). Μονοδιεσπαρμένα νανοσωματίδια και κολλοειδή δίνουν αυτό το ενδεχόμενο.

Μονοδιεσπαρμένες σκόνες κολλοειδών διοξειδίου του πυριτίου, παραδείγματος χάρη, μπορούν συνεπώς να σταθεροποιηθούν επαρκώς για να εξασφαλίσουν έναν υψηλό βαθμό τάξης στον κολλοειδή κρύσταλλο ή στο πολυκρυσταλλικό κολλοειδές στερεό στο οποίο καταλήγει από τη συσσωμάτωση. Ο βαθμός της τάξης εμφανίζεται περιορισμένος όταν επιτρέπεται να εγκατασταθούν συσχετίσεις μεγαλύτερου εύρους από τον χώρο και τον χρόνο. Τέτοιες ελαττωματικές πολυκρυσταλλικές κολλοειδείς δομές μπορεί να εμφανιστούν να είναι τα βασικά στοιχεία των κολλοειδών υλικών της υπομικρομετρικής κλίμακας και συνεπώς, δίνουν το πρώτο βήμα στην ανάπτυξη μιας πιο   αυστηρής κατανόησης των εμπλεκόμενων μηχανισμών στη μικροδομική εξέλιξη σε υψηλής απόδοσης υλικά και συστατικά.

Νομικός ορισμός
Στις 18 Οκτωβρίου 2011, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή υιοθέτησε τον παρακάτω ορισμό ενός νανοϋλικού:Nanomaterials. European Commission. Last updated 18 October 2011

Ασφάλεια των νανοσωματιδίων
Τα νανοσωματίδια συμπεριφέρονται διαφορετικά από άλλα σωματίδια παρόμοιου μεγέθους. Είναι συνεπώς απαραίτητο να αναπτυχθούν εξειδικευμένες προσεγγίσεις για τον έλεγχο και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων τους στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Η επιτροπή χημικών OECD (OECD Chemicals Committee) έχει δημιουργήσει την αντίστοιχη ομάδα εργασίας για να αντιμετωπίσει αυτό το θέμα και να μελετήσει τις πρακτικές των χωρών μελών της ως προς την ασφάλεια των νανοϋλικών.

Ενώ αναμένεται τα νανοϋλικά και οι νανοτεχνολογίες να δώσουν αρκετές προόδους στους τομείς υγείας και προστασίας της υγείας, όπως περισσότερο στοχευμένες μεθόδους χορήγησης φαρμάκων, νέες θεραπείες για τον καρκίνο και μεθόδους πρώιμης ανίχνευσης νόσων, μπορεί επίσης να έχουν ανεπιθύμητα αποτελέσματα.  Ο αυξημένος βαθμός απορρόφησης είναι η κύρια ανησυχία που συσχετίζεται με τα κατασκευαζόμενα νανοσωματίδια.

Όπου υλικά μετατρέπονται σε νανοσωματίδια, ο λόγος του εμβαδού της επιφάνειας προς τον όγκο αυξάνει. Όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν της ειδικής επιφάνειας (εμβαδόν επιφάνειας ανά μονάδα μάζας), τόσο μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένο βαθμό προσρόφησης μέσα από το δέρμα, τα πνευμόνια, ή το πεπτικό σύστημα και μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητα αποτελέσματα στα πνευμόνια, καθώς και σε άλλα όργανα. Όμως, τα σωματίδια πρέπει να απορροφηθούν σε αρκετές ποσότητες για να θέσουν σε κίνδυνο την υγεία. 

Καθώς η χρήση των νανοϋλικών αυξάνεται παγκοσμίως, οι ανησυχίες για την ασφάλεια των εργαζομένων και των χρηστών αυξάνονται. Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι ανησυχίες, το σουηδικό Ινστιτούτο Καρολίνσκα διεξήγαγε μια μελέτη στην οποία διάφορα σωματίδια εισήχθησαν στα επιθηλιακά κύτταρα των ανθρώπινων πνευμόνων. Τα αποτελέσματα, που εκδόθηκαν το 2008, έδειξαν ότι τα νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου προκάλεσαν μικρή ζημιά στο DNA και ήταν μη τοξικά. Τα νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου ήταν ελαφρώς χειρότερα. Το διοξείδιο του τιτανίου προκάλεσε μόνο ζημιά στο DNA. Οι ναναοσωλήνες άνθρακα προκάλεσαν ζημιά στο DNA σε χαμηλά επίπεδα. Το οξείδιο του χαλκού βρέθηκε να είναι ο χειρότερος κινδυνος και ήταν το μόνο νανοϋλικό που ταυτοποιήθηκε από τους ερευνητές ως ένας καθαρός κίνδυνος υγείας. 

Αγορά
Τα νανοϋλικά εμπορικοποιούνται αργά και αρχίζουν να αναδύονται ως προϊόντα.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Acquisition, evaluation and public orientated presentation of societal relevant data and findings for nanomaterials (DaNa)
Safety of Manufactured Nanomaterials: OECD Environment Directorate
Assessing health risks of nanomaterials summary by GreenFacts of the European Commission SCENIHR assessment
International Liposome Society
Textiles Nanotechnology Laboratory at Cornell University
IOP.org Article
Nano Structured Material
Online course MSE 376-Nanomaterials by Mark C. Hersam (2006)
Nanomaterials: Quantum Dots, Nanowires and Nanotubes online presentation by Dr Sands
Lecture Videos for the Second International Symposium on the Risk Assessment of Manufactured Nanomaterials , NEDO 2012


Κατηγορία:Επιστήμη υλικών
Κατηγορία:Αναδυόμενες τεχνολογίες