Nanoosake

Nanoosake ehk ultrapeen osake on füüsikaline osake mõõtmetega suurusjärgus 1–100 nanomeetrit.
Nanotehnoloogias on osakesed defineeritud kui nano- või mikromõõtmetes väiksed objektid, mis käituvad nii füüsikalis-keemilistelt omadustelt kui ka keskkonnas liikumise käigus tervikuna.
Osakesi jagatakse läbimõõdu järgi klassidesse: jämedad osakesed (vahemikus 2500–10 000 nanomeetrit), peened osakesed (vahemikus 100–2500 nm) ning ultrapeened osakesed ehk nanoosakesed (vahemikus 1–100 nm). Just viimases vahemikus hakkavad üha enam ilmnema suurusest tulenevad füüsikalis-keemilised omadused, mis erinevad suuresti peente osakeste ning massiliste materjalide ("bulk materials") omadustest.
Nanoosakeste omadused ja nende kasutusvõimalused on 2012. aasta seisuga intensiivne uurimisvaldkond, kuna neilt on oodata laialdast rakendust biomeditsiini, optika ja elektroonika valdkondades.
Ühed tuntumaid nanoosakesed on süsinikul põhinevad süsiniknanotorud ja fullereen.
Ajalugu.
Kuigi nanoosakesi peetakse enamasti moodsa ajastu avastuseks, ulatub tegelikult nende ajalugu kaugematesse aegadesse. Juba 9. sajandil kasutasid Mesopotaamia kunstnikud nanoosakesi, et pottidele sädelevat tekstuuri luua. Nii kesk- kui ka renessansiajastul valmistatud keraamika püsib metalselt sädelevana tänapäevani. See efekt saavutati õhukese metallikihi tekitamisega glasuuritud pinnale, milleks kasutati hõbeda, kulla või vase nanoosakesi. Osakeste tekitamiseks segasid kunstnikud kokku vase ja hõbeda soolasid ning oksiide äädika ja saviga, kandes seejärel segu eelnevalt glasuuritud saviesemetele. Seejärel pandi ese põletusahju ja kuumutati 600 Celsiuse kraadini redutseerivas atmosfääris. Sellise kuumuse juures glasuurikiht pehmenes, põhjustades vase- ja hõbedaioonide migreerumist glasuuri välimiste kihtide pinnale. Seal muutis redutseeriv atmosfäär ioonid taas metallideks, mis moodustasid iseloomuliku värvuse ja optiliste omadustega nanoosakeste kihi.
Täheldatud nähtust ei seostatud esialgu teadlikult nanotehnoloogiaga. Esimesena kirjeldas teaduslikes terminites seda nähtust Michael Faraday oma 1857. aasta uurimistöös.
Süntees.
Nanoosakeste sünteesiks kasutatakse tänapäeval väga puhast keraamikat, polümeere, klaaskeraamikat ja muid komposiitmaterjale. Tootmistingimused peavad olema üksikasjadeni reguleeritavad, et tagada ühtlase suurusjärguga nanoosakeste saamist. Nanoosakeste sünteesiks on olemas mitu meetodit, näiteks keemiline sadestamine aurufaasist, erosioonimeetod ja pürolüüs.
Erosioonimeetodi korral jahvatatakse makro- või mikroskaalas osakesed planetaarses kuulveskis või muus jahvatusseadmes nanoosakesteks. Pürolüüsi korral suunatakse kõrgel rõhul aurustatud prekursor (vedelik või gaas) läbi pilu, misjärel toimub kõrgel temperatuuril põletusprotsess. Selle saadusena tekivad tahmaosakesed, mis kujutavad endast pigem osakeste kogumeid (aglomeraate) kui üksikuid nanoosakesi.
Veel üheks nanoosakeste tootmismeetodiks kasutatakse ära plasma suurt energiatihedust, mis on võimeline mikromeetrite suurusjärgus osakesi oma suure energia (temperatuur on mitukümmend tuhat kelvinit) tõttu aurustama. Nanoosakesed saadakse tekkinud auru kondenseerimisel. Plasma tekitamiseks saab kasutada mitmesuguseid lahendusi. Niimoodi saadakse erineva läbimõõduga osakesi. Siiski on enamasti plasmat kasutavad meetodid halvemini kontrollitavad ja nanoosakeste saagist on tülikas eraldada tahmast.
Selleks, et luua madala sulamispunktiga metallilisi nanoosakesi, kasutatakse inertgaasi kondensatsioonimeetodit. Metall aurustatakse vaakumkambris ja jahutatakse kiirelt inertse gaasivooga. Alajahtunud metalliaur kondenseerub seejärel nanoosakesteks, mida saab süsteemist eraldada inertse gaasi vooluga, sadestades seda alusmaterjalile, või uurida seda süsteemisiseselt.
Üks lihtsaimaid meetodeid, kuidas nanoosakesi tekitada, toimub kiirguskeemia abil. Selle lihtsus seisneb väheste kemikaalide kasutamisel, kus gammakiirgusest tulenev radiolüüs loob ainete segus tugevalt aktiivseid vabasid radikaale. Selle protsessi jaoks on vaja suuri gammadoose (suurusjärgus 104 greid), mis teeb lihtsast meetodist inimesele ohtliku meetodi. Ometigi võimaldab see meetod saada erineva suuruse ja kujuga nanoosakesi, muutes prekursori kontsentratsiooni ja gammakiirguse doosi.
Omadused.
Nanoosakesi uuritakse laialdaselt, kuna nad on ühenduslüliks massiliste struktuuridega ning atomaar- või molekulstruktuuriga materjalide vahel.
Massilise struktuuriga materjalil on enamasti ajas püsivad füüsikalised omadused (eeldusel, et keskkond ei muutu), olenemata tema suurusest, aga nanomeetrite suurusjärgus täheldatakse tihti osakeste suurusest sõltuvaid omaduste muutusi. Seega, mida väiksemaks muutub osake, seda suuremaks ja tähtsamaks muutub osakese pinnal paiknevate aatomite osakaal, teisisõnu suureneb materjali eripindala ja seetõttu ka tema reageerivus. Nanoosakesed võivad tihti ilmutada ootamatuid optilisi omadusi, kuna nad on piisavalt väiksed, et vangistada elektrone ja tekitada kvantefekte. Seetõttu võivad näiteks kulla nanoosakesed paista lahustes tumepunase või lausa mustana, kuigi massiivsetes struktuurides paistab ta kollakana. Samuti sulavad kulla nanoosakesed palju madalamal temperatuuril (~300 °C madalamal 2,5 nm osakeste korral) kui näiteks kullaplaadid (1064 °C juures). On leitud, et nanoosakesed suudavad suuremal määral neelata päikeselt saadavat kiirgust, mistõttu võib neist tulevikus oodata tõhusamaid päikesepatareisid. Kuid mitte alati ei muutu osakeste füüsikalised omadused soovitud suunas. Seetõttu pole võimalik kasutada 10 nm suurusjärgus ferromagneetikuid mäluseadmetes, kuna need võivad muuta oma magnetmomenti kõigest toatemperatuurist saadava termaalenergia abil. Osakeste suurusest sõltuvad omadused on veel näiteks kvantvangistus pooljuhi osakestes, pinnaplasmonite resonants mõne metalli osakestes ja superparamagnetism magnetilistes osakestes.
Kirjeldamine.
Nanoosakeste kirjeldamine ja kategoriseerimine on vajalik, et mõista ja kontrollida ultrapeente osakeste sünteesi ja rakendatavust.
Kategoriseerimine.
Lisaks suurusjärgule jaotatakse nanomõõtmetes osakesi nende struktuuri järgi, kusjuures nimetused antakse selle järgi, mis kujundeid nad makromaailmast meenutavad.
Kuigi paljusid molekule saab nende suuruse järgi kategoriseerida ultrapeenteks osakesteks, ei viidata siiski üksikutele molekulidele kui nanoosakestele. Paraku võivad uurimistöödes kasutatavad mõisted veel erineda, kuid Rahvusvaheline Nanotehnoloogia Algatus üritab definitsioone standardiseerida.
Nanoklaster on nanoosakeste aglomeraat, millel vähemalt üks dimensioonidest jääb vahemikku 1–10 nanomeetrit ja milles osakesed asuvad kitsas suurusjaotuses. Nanopulber on nanoosakeste või nanoklastrite kuhjatis. Nanomeetri suurusjärgus monokristalle või ainudomeenseid nanoosakesi kutsutakse tavaliselt nanokristallideks.
Meetodid ja vahendid.
Kategoriseerimiseks kasutatakse mitut materjaliteaduses varemgi tuntud tehnikat. Tüüpilised vahendid, mille abil ultrapeeni osakesi uurida, on elektronmikroskoopia, aatomijõumikroskoopia, fotoelektronspektroskoopia, UV/Vis spektroskoopia, mass-spektroskoopia, transmissiooni- ehk läbivkiirguse elektronmikroskoopia, interferomeetria, tuumamagnetresonantsspektroskoopia jt. Tänu tehnoloogia arengule saab näiteks Browni liikumist jälgida isegi üksikute nanoosakeste tasemel.
Kasutusalad.
Nanoosakeste suur eripindala muudab nad kergesti difundeeruvaks, eriti kõrgel temperatuuril. On täheldatud, et ultrapeened osakesed annavad igapäevastele toodetele edasi lisaomadusi. Näiteks annavad titaandioksiidi osakesed n-ö isepuhastuvuse efekti (nt akendele). Samal ajal tsinkoksiidi nanoosakesed on täielikult fotostabiilsed ja blokeerivad suurepäraselt ultraviolettkiirgust erinevalt tsinkoksiidi massiivsematest struktuuridest, mistõttu neid kasutatakse päikesekreemides. Savi nanoosakesed segatuna polümeeride korrastatud struktuuriga suurendavad komposiitmaterjali tugevust, mistõttu on võimalik saada tugevamat plasti. Ultrapeeni osakesi on lisatud ka tekstiilikiududesse, et luua funktsionaalsemat riietust.
On toodetud ka pooltahkeid ja pehmeid nanoosakesi. Üheks pooltahke iseloomuga ultrapeene osakese prototüübiks on liposoom, mis kujutab endast kunstlikult loodud vesiikulit. Liposoomilaadseid nanoosakesi kasutatakse praegu kliinilistel eesmärkidel antikantserogeensete ravimite ja vaktsiinide transpordivahendina.
Nanoosakesed, mille üks pool on hüdrofiilne ning teine pool hüdrofoobne, nimetatakse Januse osakesteks (Vana-Rooma kahenäolise jumala Januse järgi) ning on eriti efektiivsed emulsioonide stabiliseerimisel. Nad võivad autonoomselt koguneda vee-õli piirpinnale ning käituda tahke pindaktiivse ainena.
Ultrapeeni osakesi, sh hübriidstruktuure, on toodetud metallidest, dielektrikutest ja pooljuhtidest. Viimastest toodetud ultrapeeni osakesi võib nimetada ka kvantpunktideks (kui nad on piisavalt väikesed, tavaliselt alla 10 nm). Sel juhul avaldub elektriliste energiatasemete kvantiseering. Selliseid nanoskaalas osakesi kasutatakse biomeditsiinis samuti ravimite transportijatena.
Nanoohutus ja -toksikoloogia.
Nanotoksikoloogia on bionanoteaduse haru, mis uurib nanomaterjalide mürgisust ja kahjulikkust biosfääris. Nanoosakesed on oma kvantsuuruse ja suure eripindala tõttu unikaalsete omadustega erinevalt massilistest vormidest, mistõttu klassikaline toksikoloogia ei pruugi neile kehtida. Nanotoksikoloogiliste uuringute eesmärgiks on uurida, kas ja mis ulatuses ohustavad nanoosakesed keskkonda ja inimesi. Näiteks suurte struktuuridena esinev inertne kuld muutub nanomeetrite suurusjärgus väga aktiivseks elemendiks. Seni pole uuringutes tuvastatud tuntuima nanoosakese, fullereeni, ohtlikkust biosfäärile.
Toksilised ultrapeened osakesed reageerivad väga ägedalt või on katalüsaatoriteks. Nad on võimelised tungima läbi organismide rakumembraani. Nende interaktsioon bioloogiliste süsteemidega on veel laialdasemalt uurimata valdkond, mistõttu on veel teadmata paljude nanoosakesi sisaldavate kosmeetikavahendite mõju inimorganismidele. Sellegipoolest on "in vivo" katsetustes demonstreeritud, et tsingi ultrapeened osakesed ei imendu inimese vereringesse erinevalt diisli nanoosakestest. Veel on ohtlikud näiteks asbestkiud (üks nanokiududest), mis võivad tekitada asbestoosi. Üha enam on kasvamas huvi põlemisprotsessides tekkivate ultrapeente osakeste kahjulikkuse kohta inimese kopsudele ja hingamisteedele.